实训第三讲基准

CMOS模拟集成电路实训之电压基准的设计东南大学集成电路学院IC实验室E-mail:[e-mail]内容•带隙电压基准的基本原理•常用带隙电压基准结构•PTAT带隙电压基准•运放输出电压基准•PTAT带隙电压基准的设计•优化温度特性•实训带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理：0VVT0VVTREFVVVREFVVV基准电压表达式：0TVTVV+,V-的产生原理利用了双极型晶体管的两个特性：·基极-发射极电压（VBE）电压与绝对温度成反比·在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射极电压的差值（ΔVBE）与绝对温度成正比双极型晶体管构成了带隙电压基准的核心负温度系数电压·双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为其中，。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为其中，，是硅的带隙能量。当，时，。·这个温度系数本身就与温度有关exp()CSBETIIVV(4)BETgBEVmVEqVTT1.5m1.12gEeV750BEVmV300TK1.5BEVTmVCTVkTq正温度系数电压·如果两个同样的晶体管（IS1=IS2=IS，IS为双极型晶体管饱和电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为因此，VBE的差值就表现出正温度系数·这个温度系数与温度本身、集电极电流都无关。12BEBEBEVVV0012lnlnlnTTTssnIIVVVnIIln0BEVknTq实现零温度系数的基准电压利用上面的正，负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压，有以下关系：因为，，因此令，只要满足上式，便可得到零温度系数的VREF。故有：即为(ln)REFBETVVVn1.5/BEVTmVC0.087/TVTmVC1(ln)(0.087/)1.5/nmVCmVC(ln)17.2n内容•带隙电压基准的基本原理•常用带隙电压基准结构•PTAT带隙电压基准•运放输出电压基准•PTAT带隙电压基准的设计•优化温度特性•实训常用带隙电压基准结构两种常用结构•先产生一个和绝对温度成正比（PTAT）的电流，再通过电阻将该电流转变为电压，并与双极型晶体管的VBE相加，最终获得和温度无关的基准电压•通过运算放大器完成VBE和ΔVBE的加权相加，在运算放大器的输出端产生和温度无关的基准电压常用带隙电压基准结构结构一结构二REFV1R2RDDV1A3R1Q2QXYnDDV6M5MM8M3I2I1A1IXY1Rn1Q2Q3Q2RREFV32,1lnREFBEQTRVVMVnRnVREFlnVRRRVT3322QBE，其它改进带隙电压基准结构32123221()ln()REFEBTRRVIIRVNVRR内容•带隙电压基准的基本原理•常用带隙电压基准结构•PTAT带隙电压基准•运放输出电压基准•PTAT带隙电压基准的设计•优化温度特性•实训利用PTAT电流产生基准电压DDV6M5MM8M3I2I1A1IXY1Rn1Q2QM5，M6，M8构成电流镜又ΔVBE=VTlnnI1=I2=(VT·lnn)/R1I3=M·(VT·lnn)/R1带隙电压基准电路DDV6M5MM8M3I2I1A1IXY1Rn1Q2Q3Q2RREFV32,1lnREFBEQTRVVMVnR输出基准电压T=300K时的零温度系数条件2117.2lnRMRnB2B1X+X-YA1A2VREF反馈环路分析A1是误差放大器，增益为AV1B1是M5作为输入管，R1和Q1作为负载的共源极放大器，增益为β1B2是M6作为输入管，Q2作为负载的共源极放大器，增益为β2A2是M8作为输入管，R2和Q3作为负载的共源极放大器，增益为AV2DDV6M5MM8M3I2I1A1IXY1Rn1Q2Q3Q2RREFVB2B1X+X-YA1A2VREF反馈环路的传递函数为112[()()]VXYXYAY反馈环路增益为1V21211V1VREF1)(1VAAAXX125111closedloopmAgR即得到从误差放大器输入端到基准电压输出端的总增益为823()totalclosedloopmQAAgRR1155117.21()lnQmmRRMggRMnM1155117.21()lnlnmmRRMggRMnMn18.2lnn这个增益决定了系统的噪声内容•带隙电压基准的基本原理•常用带隙电压基准结构•PTAT带隙电压基准•运放输出电压基准•PTAT带隙电压基准的设计•优化温度特性•实训运放输出端产生基准电压REFV1R2RDDV1A3R1Q2QXYn2,1,2,1,RVVIIYXREFQCQCnVREFlnVRRRVT3322QBE，输出基准电压零温度系数条件nRRRln2.17332反馈环路分析A1是误差放大器，增益为AV1B1是R1和Q1构成的分压网络，增益为β1B2是R2，R3和Q2构成的分压网络，增益为β2REFV1R2RDDV1A3R1Q2QXYnB2B1X+X-YA1VREF反馈环路的传递函数为反馈环路增益为REFVREFREFVAVXVX12131Q1Q3221loopclosed1RRRRRRRAnnln2.1711ln2.18这种带隙基准的闭环增益更高，因此会产生更大的输出噪声两种结构的性能比较1.驱动能力PTAT基准不能直接为后续电路提供电流，需要在带隙电压基准和后续电路间加入缓冲器，由缓冲器为后续电路提供电流。必须使用缓冲器将带隙电压基准隔离。2.面积运放输出的带隙基准需要使用3个电阻，并且在Q1和Q2的比值n较小的时候，需要使用更大阻值的R1和R2。因此消耗更多的芯片面积。3.噪声PTAT基准可以产生更小的输出噪声。内容•带隙电压基准的基本原理•常用带隙电压基准结构•PTAT带隙电压基准•运放输出电压基准•PTAT带隙电压基准的设计•优化温度特性•实训启动电路ABPTAT带隙电压基准的设计指标要求：VDD=5VVref=1.27VPPM50ppm/℃设计要点：1、启动电路的工作与设计2、用共源共栅结构为了提高增益，使箝位效果更好3、相同类型的管子的宽长比尽量匹配，P管的沟道长度不应过短，以降低沟道调制效应的影响PTAT带隙电压基准的设计过程：1、决定偏置电流I=10uA，求出R0＝5.38K2、求出R1的大小R1=48.3k3、P管的大小W/L=20/2，降低沟道长度调制效应4、N管的大小W/L=10/25、启动电路的设计MOS管初始参数设置N管W/L=10u/2uP管W/L=20u/2u并联数长宽双极晶体管比例设置Q1，Q2，Q3的比例设置为8：1：1管子并联数电阻设置初始设置中M5，M6和M8设为相同的宽长比，因此M=1。零温度系数条件为：27.88ln2.17RR01令R0=5.63kΩ，则R1=46kΩ阻值设置仿真环境典型库，晶体管添加库设置仿真温度范围直流扫描保存直流工作点扫描温度温度范围开启仿真结果输出选择“VREF”端口为输出开始仿真。仿真结果分析温度特性较差，正温度系数过小，这是由于R2/R1的比值过小所致可通过调节R2/R1的比值来优化温度特性内容•带隙电压基准的基本原理•常用带隙电压基准结构•PTAT带隙电压基准•运放输出电压基准•PTAT带隙电压基准的设计•优化温度特性•实训优化温度特性采用变量分析“Parametric”方法方案：固定R0值的大小，扫描R1方法：在电路图中设置R1的阻值为变量“res”ADE窗口中，选择“Variables”→“Edit”设置扫描变量ADE窗口中，点击“Tools”→“ParemetricAnalysis”在ParemetricAnalysis窗口中，选择“Setup”→“PickNameForVareable”→“Sweep1...”在ParemetricAnalysisPickSweep1窗口中选择“res”作为变量设置扫描范围设置“Sweep1”扫描范围为50k~60kΩ“TotalSteps”为“5”选择窗口中的“Analysis”→“Start”，开始变量扫描变量扫描结果分析当R1电阻为50kΩ时，温度系数为负当R1电阻为60kΩ时，温度系数为正缩小扫描范围，再次仿真res扫描范围设置为52k~56kΩ,再次扫描当R1=55kΩ时，温度特性最好缩小扫描范围，再次仿真，使在27℃时有零温度系数res扫描范围设置为52k~56kΩ,再次扫描10个点当R1=55kΩ时，温度特性最好，将图放大，找到27℃时的零温度系数时的电阻值。当R1=55kΩ时，温度特性最好，将图放大，找到27℃时零温度系数的电阻值利用“Calculator”分析温度特性在仿真结果图中点击“Tools”→“calculator”缓存buffer堆栈stack函数功能y**xstackbuffer+stack+buffer-stack-buffer*stack*buffer/stack/buffer℃)(ppm/10)T(TVVVPPM6minmaxaverageminmax温漂系数计算计算公式：）（℃/ppm10V125VV6averageminmax列表显示温度系数点击制表按钮，在“DisplayResults”中选择Value，点击“OK”，显示计算结果当R2=54.89kΩ时，温漂系数最小，PPM=8.452ppm/℃绘图显示温度系数点击制图按钮，绘图显示温漂系数随R2电阻变化情况，R2=54.89kΩ时出现最小值仿真优化结果最终调节得到R1=55.4k时，在25℃左右输出电压的温度系数为0。温度系数为0。用交流分析仿真PSRR查看交流仿真的结果PSRR=30.39dB运放输出的带隙电压基准R1R2R3Q1Q2nM1M0M3M4M5M2M6M7IBIASVREFVDD运放输出的带隙电压基准的仿真结果PSRR仿真结果77.89dB内容•带隙电压基准的基本原理•常用带隙电压基准结构•PTAT带隙电压基准•运放输出电压基准•PTAT带隙电压基准的设计•优化温度特性•实训Lab1：PTAT带隙电压基准•指标–VDD=5VVref=1.27VPPM50ppm/℃•要求–原理分析–Spectre直流特性仿真–Spectre交流特性仿真Lab2：运放输出的电压基准•指标–VDD=5VVref=1.27VPPM50ppm/℃•要求–原理分析–Spectre直流特性仿真–Spectre交流特性仿真