带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析

2014.10.21BandGap电路调试总结目录1.BandGap工作原理2.静态工作点的调试3.BandGap电路仿真4.电路仿真结果分析1.BandGap工作原理BandGap电路的设计目的：产生一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或者电流。BandGap电路的主要设计任务：与电源无关的偏置；与温度关系变化的确定。带隙电压基准的基本原理：将两个拥有相反温度系数的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。负温度系数电压双极晶体管的基极-发射极或者说是pn结二极管具有负温度系数。当=750mv，T=300时，=-1.5的温度系数与温度有关。TqEVmVTVVkTETVmIITVTVgTBEBETgTSCTBE)4()4(ln2BEVK。TVBEKmV。BEV正温度系数电压若两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。的差值就表现出正温度系数。BEVnqkTVnVIIVInIVVVVBETSTSTBEBEBElnlnlnln201021零温度系数的基准电压利用双极晶体管的正，负温度系数电压，可设计出一个零温度系数的基准。令=1，=-1.5对上式两边分别对温度T求导，得到零温度系数的基准：)ln(nVVVTBEREFTVBEK。mV087.0TVTV25.12.172.17lnTBEREFVVVnBandGap电路原理图与电源无关的偏置电路BandGap偏置电路主要通过改变电阻R1的值使得电流稳定在18uA左右，NM12采用二极管的连接方式得到一个对电源Vdd不敏感的偏置电流Iref，通过NM13的尺寸比例将Iref自举到Iout，使得Iref和Iout满足一定的比例关系并与Vdd的变化无关。PM14，PM15与PM18，PM19启动后续整个电路。Cascode电路结构为保证NM20与NM21处的电压保持跟随，采用Cascode结构使得Vo1与Vo2稳定在近似相等的电压，那么有：产生一个和绝对温度成正比的PTAT电流。这里的Cascode结构主要是近似为一个电路源使得流过Q4，Q5这两条电路的电流相等使得Vo1与Vo2稳定在近似相等的电压，所以在调试cascode电路时要使输出电阻尽可能的大。1OV2OVnVVnVVVRIVRIVTBETBEBEBEBElnVln2O22121BandGap电压的产生产生的PTAT电流通过由PM23-PM26组成的电流镜电路复制到到基准电压输出端，可以得到：根据上式：是正温度系数电压，是负温度系数电压，通过调试R3与R2的比值，将两个拥有相反温度系数的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。32321)(BEBEBEREFVRRVVVBEV3BEV2.静态工作点的调试首先，确保部分管子工作在饱和区，不受电源电压变化的影响。然后，寻找合适的双极晶体管比例，这里给出Q1，Q2，Q3，Q4，Q5为2:2:2:16:16。再次，寻找合适的电阻比例：因为n=8，可以求得出电阻比例。最后调试各条支路的管子使得电路工作在合适的电流。lnn17.22.17ln17.2lnnVlnn)(VVV2323323REFTBEREFRRnRRVRRVBEBE3.BandGap电路仿真首先：对调试好BandGap电路进行启动电路仿真：在输入端加上一个0.01us,3.3V的激励信号，对BandGap电路进行瞬态仿真，得到如图所示的曲线，表明BandGap电路顺利启动。DC仿真完成启动电路的仿真测试后，设置好DC仿真环境，温度扫描在-40度到120度，电源电压为3.3V，以及restypical，captypical，diotypical，biotypical，tt的工艺模型下。完成DC直流仿真后，用计算器计算出BandG电路的温漂系数。6minmaxminmax10*)(TTVVVTmean3.3V时基准电压曲线如图所示为3.3V时，BandGap输出电压曲线，可以看到Vmax=1.251，Vmin=1.249.计算得出温漂系数为9.434不同电压的温度扫描图示为电源电压为3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，tt的工艺模型下的DC仿真。可以看出，输出电压为1.235V到1.265V之间，温漂系数为不同电压的温度扫描图示为电源电压为3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，ff的工艺模型下的DC仿真。可以看出，输出电压为1.255V到1.275V之间，温漂系数为不同电压的温度扫描图示为电源电压为3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，ss的工艺模型下的DC仿真。可以看出，输出电压为1.225V到1.25V之间，温漂系数为不同电压的温度扫描图示为电源电压为3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，sf的工艺模型下的DC仿真。可以看出，输出电压为1.24V到1.27V之间，温漂系数为不同电压的温度扫描图示为电源电压为3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，fs的工艺模型下的DC仿真。可以看出，输出电压为1.23V到1.26V之间，温漂系数为3.3V不同工艺角的扫描图示为电源电压为3.3Vrestypical，captypical，diotypical，biotypical，（tt，ss，ff，sf，fs）的工艺模型下的DC仿真。可以看出，输出电压为1.235V到1.265V之间。温漂系数均小于20ppm，（ss情况下为26ppm）BandGap电路仿真结果分析从BandGap电路的仿真结果分析得出，电路在3.3V时候工作的比较稳定，输出的基准电压为1.235V到1.265V之间，温漂系数低于20ppm（但是ss情况下为26），当电源电压为3.0V或者3.6V时，在其他的不同工艺角（tt，ff，ss，sf，fs）下，输出的基准电压波动范围较大，且温漂系数大于20ppm（3.6V，ss情况下为13ppm以及3v时，ff情况下为15ppm）。3V各个工艺角下的基准电压输出范围为1.235V到1.255V之间，3.6V各个工艺角下的基准电压输出范围为1.265V到1.275V之间。