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1《IC课程设计》报告——模拟部分CMOS带隙基准源的设计华中科技大学电子科学与技术系2004级学生张青雅QQ:408397243Email:zhangqingya@163.com2007年秋大四上学期IC课程设计报告2目录1设计目标........................................................................................................................................12介绍...............................................................................................................................................13设计过程........................................................................................................................................33.1电路结构............................................................................................................................33.2主要电路参数的手工推导................................................................................................43.3参数验证（手工）............................................................................................................34仿真结果.......................................................................................................................................84.1仿真网表（注意加上注释）............................................................................................84.2仿真波形..........................................................................................................................135讨论............................................................................................................................................166收获和建议.................................................................................................................................2111设计目标本次课程设计的目标是设计一个基于0.18um/1.8VCMOS工艺符合特定性能指标的带隙基准电压源，设计指标如表1所示。表1、带隙基准电压源的设计指标Process0.18u_1.8vTemperatureRange-55℃~125℃+PowerSupply1.4v～2.0vTemperatureCoefficient30ppm-PowerSupply0vPSRR40dBPowerDissipation200uwPhasemargin≥60°ΔVREFAtPowerSupplyRange3%2介绍基准电压源(Voltagereference)是当代模拟集成电路以及数模混合电路极为重要的组成部分,它对高新模拟电子技术的应用与发展具有重要作用。在许多集成电路中,如数/模转换器线性稳压器和开关稳压器等,都需要稳定的电压基准。在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把集成基准电压源作为系统测量和校准的基准。基准电压有基于正向VBE的基准电压、基于齐纳二极管反向击穿特性的基准电压,以及带隙基准电压等,其中,带隙基准电压由于具有低温度系数、高电源抑制比、低电压、低功率以及长期稳定性等优点,因而得到了广泛的应用。图１给出了带隙基准电压源的原理示意图。结压降VBE在室温下的温度系数越为-2.0mV/K，而热电压VT在室温下的温度系数为0.085mV/K，将VT乘以常数M并和VBE相加可得到输出电压VREF：VREF=VBE+MVT将上式对温度T微分，并在室温下等于零（输出电压在室温下的理论温度系数为零），解得常数M的值。2图1、带隙基准电压源原理示意图(选自AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits)33设计过程3.1电路结构图2、带隙基准电路中运算放大器的电路结构图3、带隙基准电源源的具体电路结构43.2主要电路参数的手工推导基本工艺参数的确定：通过仿真单管N_18_LL的本征增益，仿真条件为W/L=9u/2u，电流源Id=25uA，过驱动电压为0.2V，可从list网表得到AV=135，gm=210u，由AV=gm/lambdaN*Id，可以得到在此条件下N_18_LL的沟道长度调制系数：LambdaN=0.0622由跨导公式可以算出：unCox=196u同样，通过仿真单管N_18_LL的本征增益，仿真条件为W/L=72u/4u，电流源Id=25uA，过驱动电压为0.2V，可从list网表得到AV=276，gm=192u，由AV=gm/lambdaN*Id，可以得到在此条件下P_18_LL的沟道长度调制系数：LambdaP=0.0278由跨导公式可以算出：upCox=41u运算放大器结构和参数的确定：采用的运算放大器电路采用标准二级运算放大器，第一级采用PMOS管差分输入，第二级采用电流源负载共源级输出，并且用理想电容来完成频率补偿，如图一所示。之所以采用P管输入，是因为P管输入的运放的共模输入范围可以从零开始高至某一值。如果采用N管输入的运放，当温度很低是，反馈过来的共模电平可能会因为过低而不能使运放正常工作。先确定运算放大器仿真时的负载电容，由于其输出OUT接MP7和MP8的共栅结点，而经过估算，此结点的全部电容大约在0.3pF左右，因此确定仿真时，放大器的负载电容CL=0.3pF。因为要频率补偿，所以在MN4的栅漏之间加一Miller补偿电容CC。参考Allen的教材，该放大器具有两个极点和一个RHP零点，要保证该运算5放大器达到60度的相位裕度，在零点大于10GB的情况下，第二极点至少高与2.2GB。结合上面运算放大器的具体电路图，其两个极点和零点分别可表示为：()()224424dsmpdsmndsmpdsmnmnCgCggggp++=−24421010mpmnCmnmpCgggg41mnCCgz=−要保证零点大于10GB，且第二极点高于2.2GB，则应满足：2410mpmnCCCggC⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎝⎠因此，4210mnmpgg并且242.2mpmnLCCggC⎛⎞⎜⎟⎜⎟⎝⎠合并上面几式，可得到：0.22CLCC由于已经确定了CL=0.3pF，要满足CC和CL的上述关系，选择CC=CL=0.3pF。要保证另外一个条件：4210mnmpgg设计电路参数时应该使MN4的宽长比要远大于输入管MP1和MP2，且MN4流过的电流也尽可能大于输入管的偏置电流。运算放大器的增益越大越好，考虑到功耗的折衷，综合设计出的运放的电路的具体参数如表2所示。6PTAT电流产生和VREF产生电路的参数确定：图4、在10uA的电流驱动下，PNP管的VEB随温度的变化曲线仿真一个单独的p管，将基极和集电极相连接地，10uA的电流源加到射极上，从-55度扫描到125度，得到的VEB曲线随温度T变化曲线图4所示。运用简单的两点法，可以求出VEB温度系数的大概平均值。-55时，VEB＝0.8695V，125时，VEB＝0.5721V，所以温度系数均值为0.57210.86951.652/12555mVK−=+由VREF=VEB+R2VTLn3/R1，为了确定R2/R1的初始值，令VREF的温度系数为零，则初步确定R2/R1=1.652/(k/q)*Ln3=17.284。其中k/q=0.087mV/K。由于已经确定了支路电流为10uA，则R1=VTLn3/10uA=2.867K（此式中T=300K），根据前面R2与R1的关系，可以确定R2的值。上式中R1的值是在T=300K的情况下得到的，而VREF的零温度系数点实际中并不在300K处，所以通过仿真再反推回来，最终确定R1=2.881K，R2=47.30K。为了使两条支路的电流尽可能很精确地相等，就要尽最大程度减小MP7和MP8的沟道长度调制效应，所以在左边支路加了一个阻值与R2相等的R3，即R3=47.30K，保证了两条支路在电阻方面的平衡，进而使两边的电流尽可能完全相等。73.3电路参数汇总表2、所用运算放大器的元器件参数汇总元件参数值元件参数值MP116u/4uMN23.5u/2uMP216u/4uMN430.2u/2uMP448u/4uM=4IREF3uAMP516u/4uCC0.3pFMP636u/4uCL0.3pFMN13.5u/2u表3、带隙基准电压源的元器件参数汇总元件参数值元件参数值MP116u/4uMN430.2u/2uMP216u/4uQ1M=1MP448u/4uM=4Q2M=3MP516u/4uIREF3uAMP636u/4uCC0.3pFMP73.1u/4uR12.881kMP83.1u/4uR247.30kMN13.5u/2uR347.30kMN23.5u/2u4仿真结果4.1仿真网表（注意加上注释）******仿真运算放大器增益和相位裕度的网表*******ProjectOPA*InnovedaWirelistCreatedwithVersion6.3.58*Inifile:*Options:-h-d-n-m-z-x-c6-lfirst1*Levels:*MP1N1N72INNN1N76N1N76P_18_LLL=4UW=16UMN1N1N72N1N72VSSVSSN_18_LLL=2UW=3.5UIREFN1N83VSSDC=3UMP2N1N74INPN1N76N1N76P_18_LLL=4UW=16UMN2N1N74N1N72VSSVSSN_18_LLL=2UW=3.5UMP6N1N76N1N83VDDVDDP_18_LLL=4UW=32UMP5N1N83N1N83VDDVDDP_18_LLL=4UW=16UMP4OUTN1N83VDDVDDP_18_LLL=4UW=96UM=2MN4OUTN1N74VSSVSSN_18_LLL=2UW=30.4UCLOUTVSS0.3pCCN1N74OUT0.3pV1VDD01.8V2VSS00V3INN00.7405V4INPINN0ac1.0*正负端之间加交流信号.LIB'D:\Hspicemodel\018_Spice_model\c18vmos001.lib'TT.OP*静态工作点分析.ACDEC1010100meg*交流分析从10Hz到100MEGHz.pr