高阶曲率补偿的带隙基准电压源设计(附件)【字数：10191】
摘 要带隙基准（Bandgap voltage reference），常常有人简单地称它为Bandgap。最经典的带隙基准是利用一个与温度成正相关的电压与一个与温度成反比的电压相加，两者温度系数抵消，从而实现与温度无关的电压基准。因为其基准电压与硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。实际上利用的不是带隙电压。产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三种形式中的一种1）与绝对温度成正比；2）常数特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数；3）与温度无关。本文给出了一款基于TSMC 0.18um工艺的一种高精度高阶曲率补偿带隙基准电压源。这个新提出的带隙基准电压源采用了一个BUCK电压转换单元和与一个温度无关的电流来为VBE提供一个高阶曲率补偿。在3.3V的供压下，这个电路在-20到80℃的温度范围内达到的温度系数约为6ppm/℃。这个电路的电源抑制比（PSRR）预计可达到60dB。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2课题的国内外研究现状 1
1.3研究内容、设计指标以及本文结构 2
第二章 带隙基准电路原理 3
2.1与温度无关的基准 3
2.1.1负温度系数 3
2.1.2正温度系数 3
2.1.3带隙基准 4
2.2典型的带隙基准电路 4
2.3 的温度依赖性 4
2.4精确的曲率补偿的CMOS带隙基准电压源 5
2.4.1BUCK型电压传输单元 5
2.4.2高阶电路的实现 6
第三章 高阶曲率补偿的带隙基准电压源各模块设计与仿真 8
3.1二级放大器的设计与仿真 8
3.1.1高阶电路的设计 8
3.1.2二级放大器仿真 8
3.2基本带隙基准电压源的设计与仿真 10
3.2.1基本带隙基准电压源的设计 10
3.2.2基本带隙基准电压源的仿真 11
3.3系统设计与仿真 14
3.3.1完整的高阶曲率补偿的带隙基准电压源设计 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
14
3.3.2完整的高阶曲率补偿的带隙基准电压源设计 14
第四章 版图设计及后仿真 20
4.1 高阶曲率补偿的带隙基准电压源各模块及系统的版图设计 20
4.1.1高阶曲率补偿的带隙基准电压源电路中各晶体管参数调整 20
4.1.2二级放大器中晶体管的版图设计 21
4.1.3BUCK型电压传输单元中晶体管的版图设计 23
4.1.4电路中的电阻匹配设计 24
4.1.5整体版图 25
4.2 高阶曲率补偿的带隙基准电压源各模块及系统的后仿真 26
4.2.1寄生参数的提取 26
4.2.2温漂系数TC的后仿真 27
4.2.3电源抑制比PPSR的后仿真 28
4.2.4前仿与后仿结果对比及原因分析 28
结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
附 录 33
附录A电路版图 33
附录B电路PSRR仿真结果 35
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
在设计模拟集成电路的过程中，会遇到各种各样干扰电路精度的情况，例如电源噪声、工艺偏差、温度等，对此，基准电源就起到了着特别重要的作用。所谓基准是指基准电压源和基准电流源，二者目的是创建与电源和电路工艺参数的关系很小却和温度有明确关系的电压或者电流。
对于现在的技术来说，集成电路芯片中的电阻类似一般尺寸的MOS管，要占用很大的面积，这样就会导致芯片面积变大，所以减少电阻有益于集成。其次，电阻的集成会遇到精度通常较低的问题。相对来说，MOS管有着工艺偏差小、面积占用小、更好与SOC系统所用工艺兼容的优势。
1.2课题的国内外研究现状
传统产生基准电压的方法是通过串联齐纳二极管与正向偏置的二极管。在反向电压超过6V的情况下，齐纳二极管雪崩击穿，进而拥有正温度系数，同时串联的二极管正向偏置为负温度系数，这两个量互相叠加作用可以在输出端产生零温度系数的基准电压。
带隙基准参考源是由Robert Widlar在1971年提出的概念。带隙基准的命名是由于其基准电压接近硅半导体的带隙电压，即发射极和三极管基极间电压 负温度系数叠加上 (热电压),从而获得的参考电压和温度没有关系。[1]
由于精密带隙基准（BGRS）的高精度和温度独立性，其在模拟、数字或数模混合模拟电路中有广泛的应用，比如：A/D转换器，滤波器，DRAMS或闪存的控制电路。[8]然而，在提高一阶温度补偿的BGR的温度系数（TC）上存在一定的局限性，其一般在20ppm/℃到100ppm/℃之间，这是因为BGRs中使用的BJT的基极发射极电压有很大的非线性。为了克服这一缺点，集成电路设计人员已经开发出了很多高阶温度补偿技术，比如：由Song 等人组成的团队研究出二阶温度补偿技术，由Lee 等人的指数型补偿，由RinconMora 团队研究出段线性曲率校正技术，以及Leung 团队研究出具有高阻性聚电阻和扩散电阻的温度依赖电阻比。[2]随着这些新可靠性高的技术应用到现代的集成电路，很大程度上提高了BGR的温度稳定性。然而，上述电路结构需要精确匹配电流镜或预稳压电源电压来得到先进的高精度数学函数，一方面是因为当前的不匹配将在参考输出中引入一个误差电压，另一方面是因为高电阻多晶硅电阻不能在常规的标准CMOS工艺中制得。
目前带隙基准电源主要有以下几个发展方向:
(1)低温度系数应用
由于集成电路的工艺偏差和自身的高阶量，使得一阶补偿的带隙基准电压源温度系数较高，一般在20 ppm/℃至100ppm/℃之间。[11]高精度的ADC等应用中需要引入更低的温度系数，这时就要运用二阶或者高阶的补偿方法。现阶段运用的高阶温度补偿的方法如：二阶曲率补偿、线性化补偿、亚阈值补偿、电阻温度特性补偿、指数曲率补偿等，不同条件下各个方式运用不同，但通过这些改造补偿可以使电路整体温度系数有效下降，达到10 ppm/℃之内。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2课题的国内外研究现状 1
1.3研究内容、设计指标以及本文结构 2
第二章 带隙基准电路原理 3
2.1与温度无关的基准 3
2.1.1负温度系数 3
2.1.2正温度系数 3
2.1.3带隙基准 4
2.2典型的带隙基准电路 4
2.3 的温度依赖性 4
2.4精确的曲率补偿的CMOS带隙基准电压源 5
2.4.1BUCK型电压传输单元 5
2.4.2高阶电路的实现 6
第三章 高阶曲率补偿的带隙基准电压源各模块设计与仿真 8
3.1二级放大器的设计与仿真 8
3.1.1高阶电路的设计 8
3.1.2二级放大器仿真 8
3.2基本带隙基准电压源的设计与仿真 10
3.2.1基本带隙基准电压源的设计 10
3.2.2基本带隙基准电压源的仿真 11
3.3系统设计与仿真 14
3.3.1完整的高阶曲率补偿的带隙基准电压源设计 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
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3.3.2完整的高阶曲率补偿的带隙基准电压源设计 14
第四章 版图设计及后仿真 20
4.1 高阶曲率补偿的带隙基准电压源各模块及系统的版图设计 20
4.1.1高阶曲率补偿的带隙基准电压源电路中各晶体管参数调整 20
4.1.2二级放大器中晶体管的版图设计 21
4.1.3BUCK型电压传输单元中晶体管的版图设计 23
4.1.4电路中的电阻匹配设计 24
4.1.5整体版图 25
4.2 高阶曲率补偿的带隙基准电压源各模块及系统的后仿真 26
4.2.1寄生参数的提取 26
4.2.2温漂系数TC的后仿真 27
4.2.3电源抑制比PPSR的后仿真 28
4.2.4前仿与后仿结果对比及原因分析 28
结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
附 录 33
附录A电路版图 33
附录B电路PSRR仿真结果 35
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
在设计模拟集成电路的过程中，会遇到各种各样干扰电路精度的情况，例如电源噪声、工艺偏差、温度等，对此，基准电源就起到了着特别重要的作用。所谓基准是指基准电压源和基准电流源，二者目的是创建与电源和电路工艺参数的关系很小却和温度有明确关系的电压或者电流。
对于现在的技术来说，集成电路芯片中的电阻类似一般尺寸的MOS管，要占用很大的面积，这样就会导致芯片面积变大，所以减少电阻有益于集成。其次，电阻的集成会遇到精度通常较低的问题。相对来说，MOS管有着工艺偏差小、面积占用小、更好与SOC系统所用工艺兼容的优势。
1.2课题的国内外研究现状
传统产生基准电压的方法是通过串联齐纳二极管与正向偏置的二极管。在反向电压超过6V的情况下，齐纳二极管雪崩击穿，进而拥有正温度系数，同时串联的二极管正向偏置为负温度系数，这两个量互相叠加作用可以在输出端产生零温度系数的基准电压。
带隙基准参考源是由Robert Widlar在1971年提出的概念。带隙基准的命名是由于其基准电压接近硅半导体的带隙电压，即发射极和三极管基极间电压 负温度系数叠加上 (热电压),从而获得的参考电压和温度没有关系。[1]
由于精密带隙基准（BGRS）的高精度和温度独立性，其在模拟、数字或数模混合模拟电路中有广泛的应用，比如：A/D转换器，滤波器，DRAMS或闪存的控制电路。[8]然而，在提高一阶温度补偿的BGR的温度系数（TC）上存在一定的局限性，其一般在20ppm/℃到100ppm/℃之间，这是因为BGRs中使用的BJT的基极发射极电压有很大的非线性。为了克服这一缺点，集成电路设计人员已经开发出了很多高阶温度补偿技术，比如：由Song 等人组成的团队研究出二阶温度补偿技术，由Lee 等人的指数型补偿，由RinconMora 团队研究出段线性曲率校正技术，以及Leung 团队研究出具有高阻性聚电阻和扩散电阻的温度依赖电阻比。[2]随着这些新可靠性高的技术应用到现代的集成电路，很大程度上提高了BGR的温度稳定性。然而，上述电路结构需要精确匹配电流镜或预稳压电源电压来得到先进的高精度数学函数，一方面是因为当前的不匹配将在参考输出中引入一个误差电压，另一方面是因为高电阻多晶硅电阻不能在常规的标准CMOS工艺中制得。
目前带隙基准电源主要有以下几个发展方向:
(1)低温度系数应用
由于集成电路的工艺偏差和自身的高阶量，使得一阶补偿的带隙基准电压源温度系数较高，一般在20 ppm/℃至100ppm/℃之间。[11]高精度的ADC等应用中需要引入更低的温度系数，这时就要运用二阶或者高阶的补偿方法。现阶段运用的高阶温度补偿的方法如：二阶曲率补偿、线性化补偿、亚阈值补偿、电阻温度特性补偿、指数曲率补偿等，不同条件下各个方式运用不同，但通过这些改造补偿可以使电路整体温度系数有效下降，达到10 ppm/℃之内。
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