带隙基准源的设计

模拟CMOS集成电路设计-与电源无关的电流源课程设计院系：电子与信息工程学院 专业：电子09-2 姓名：王艳强 学号： 指导教师：李书艳摘要模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。而与温度关系很小的电压基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。采用Hspice软件进行仿真，仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。关键词：CMOS集成电路；带隙基准；偏置；温度系数；仿真；工艺综述 我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流，如果忽略一些管子的沟道长度调制效应时电流就可以保持与电源电压无关。电压基准源是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。另外，电压基准源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大类型。其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟的工艺，CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，已经逐渐发展成为当代VLSI（超大规模集成电路）工艺的主流工艺技术。双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。BiCMOS技术增强了在CMOS技术提供的双极型晶体管的性能，这使其在模拟电路设计中具有潜力。由于CMOS工艺中“按比例缩小理论”的不断发展，器件尺寸按比例缩小使得CMOS电路的工作速度得到不断地提高，在模拟集成电路的设计中CMOS技术逐渐可以与双极型技术抗衡。近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术以其得到飞速的发展，片上系统已经受到学术界及工业界广泛关注。由于SOC要求很高的集成度，而CMOS工艺的特点正好符合了这种需求，因此，用CMOS技术来设计电路越来越成为集成电路的发展趋势。设计过程1 电路结构设计1.1 启动电路设计为了避免基准源工作在不必要的零点上，我们设计了启动电路由于带隙基准源存在两个电路平衡点，即零点和正常工作点。当基准源工作在零点时，基准源没有电流产生。基于数字电路设计中的上电复位原理，我们设计了启动电路。当电路上电时，通过电容C的充放电及N2管的导通，产生基准电流。通过P1和N1组成的反相器，使N2管完全截止，电压回落在稳定的工作点上，基准源开始正常工作。1.2 IPTAT产生电路这块部分电路我们是按照传统基准源电路原理设计的。1.3 带镜像电流源负载的差分放大电路在传统的基准电压源电路中，必须设计低失调的运算放大器，以保证电路工作于深反馈状态，输出稳定的参考电路。但在深亚微米的低电压电源条件下，运算放大器的设计变得相当困难，更难控制运放的失调电压。参考资料中采用运算放大器设计了低压带隙基准源，但是差分放大器的差分对管是采用耗尽型NMOS管设计的。由于参考电压源的工作原理是电流反馈，所以我们改变传统基于运放的电压基准源设计方法，采用电流镜负载的差分放大器实现了电压基准源的低电源电压设计。1.4 输出的二次分压第二级放大电路基于电阻二次分压技术调整参考电压输出范围，实现可配置的参考输出电压。2 主要电路参数的手工推导2.1按照题目要求，计算出电路各器件的尺寸。电路稳定工作时，有推导可得：其中，为流过BJT 的发射极电流。2.2 根据温漂计算由要尽量小，则由，其他均为常数，可推导得2.3根据静态功耗计算由已知指标，静态功耗尽可能小初设静态功耗300uW初设工作电压Vdd =1.2V由则则又由得2.4启动电路器件尺寸由于电容C的主要作用是上电瞬间的充放电，对电容值的精度没有较高要求故电容C取值20pf。分析各支路电流，发现启动电路中的P1和N1组成的反向器的漏电流影响较大，所以只要降低P1和N1的支路电流，就可以实现低功耗，其中改变支路的等效电阻是降低功耗的直接有效方法。通过在P1的源极与电源VDD之间串联一个W/L很小的PMOS晶体管，可使整个基准源电路的功耗很大程度上减低。故取 2.5 IPTAT产生电路器件尺寸为得到低功耗，将P2、P3 的W/L比取小一些，降低跨导取 由 则2.6 带镜像电流源的差分放大电路的器件尺寸根据参考资料中的带镜像电流源的差分放大电路的参数，取 2.7 二次分压的第二级放大电路器件尺寸根据MOS管的输出增益， 由 0.18um 工艺库里面的参数计算得3 参数验证（手工推导）3.1 温漂计算3.2 输出电压计算3.3 静态功耗3.4 电源抑制比因电源抑制比主要由差分放大电路的共模抑制比决定，故 4 电路仿真4.1 用于仿真的电路图注意绘制成层次化的电路。即将原设计电路做一个Symble。 启动电路IPTAT产生电路差分放大电路二次分压电路4.2仿真波形4.2.1输出电压-温度 曲线结论：l 温度从0C100C变化时，输出电压的变化范围为721.4mv723.4mv，变化量为2mv，故仿真得到的温漂为27.66ppm/Cl 输出电压在0C和100C时相同，在40C45C之间达到最大4.2.2电源抑制比-频率 曲线结论：当电源幅值为1V，频率从1Hz100Hz变化时，输出电压的变化范围为1.484mv1.512mv，在100Hz的时候，输出电压为1.512mv，故电源抑制比为-56.48dB4.2.3静态功耗-时间 曲线结论：l 工作电压为1.2V时，0200ns静态功耗恒为76.79uW不足之处1：只有温漂没有达到计算要求（但设计指标是满足的）。不足原因：1、计算误差、理论误差以及电路级联产生的影响。2、在放大过程中，失调电压也同时被放大，在输出电压中引入了误差，同时失调电压本身随温度变化，增大了输出电压的温度系数。努力方向：可以采用大尺寸的MOS管进行合理的版图布局来降低失调。 不足之处2：工作电压从1V4.5V变化时，输出电压非常稳定，但是它对于时下仍然使用的5v和12v标准工作电压不适用。不足原因：由于我们设计的电路是分模块设计的，虽然局部尽量优化，但是在级联过程中，由于各个模块之间的等效阈值电压不匹配，导致最后的工作电压范围受限。努力方向：还要继续加深对电路整体的把握，使得电路参数对整体最优。国内外发展现状与趋势：近年来，国内外对CMOS工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表了大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。（1） 低电压工作的基准电压源SOC的主流工艺是CMOS工艺，目前，5v、3.3v、1.8v、1.5v、1.2v、0.9v等的电源电压已经得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1.2v左右，所以，对于电源电压低于1.2v的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多文献都提出了输出基准电压低于1.2v的电路结构。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的电路结构和MOS管衬底效应造成的高閥值电压时限制工作电压的主要因素。（2） 低温度系数的基准电压源、低温度系数的电压基准源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说对于高精度的D/A、A/D结构，高精度的电流源、电压源等。对于普通的一阶温度补偿的带隙结构的温度系数一般在20-50ppm/c，因此，设计低温度系数的电压基准源一般必须进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括二阶曲线补偿技术，指数曲线补偿技术，线性化VBE技术，基于阻值比的温度系数的曲线补偿方法等。（3） 高电源抑制比的基准电压源在数模混合集成电路中，电路可能存在高的高频噪声和数字电路产生的噪声对模拟电路产生信号干扰。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源抑制比性能。国内文献中，使用运放结构的带隙基准技术，在直流频率时的PSRR可达-110dB，在1MHz的PSRR达-70dB；而使用无运放负反馈结构的带隙基准，在1kHz的PSRR为-95dB，在1MHz的PSRR为-40dB。（4） 低功耗的基准电压源低功耗设计对于PDA、LAPTOP以及依靠电池工作的便携设备等低电压工作的手持设备具有非常重要的意义。低功耗电路可以延长电池的使用寿命。心得体会：1、 了解了CMOS模拟电路设计的基本方法及相关电路参数的限制，比如宽长比、跨导、截面积等。2、 熟练掌握了用网表进行电路描述和扫描仿真3、 熟练地掌握了Hspice的仿真和波形观测4、 通过对带隙基准电压源的设计，深入了解了温度对于器件以及整个电路性能的影响。5、 了解了电路中模块划分的方法，学习了几种很有用的电路模型，比如启动电路、带镜像电流源的差分放大电路另外，下面简单说一下在课程设计中使用相关软件的心得。刚开始，我们最大的困惑就是对带隙基准电压源、与电源无关的电流偏置以及Hspice的使用完全没有概念，于是我们去分头查阅资料。虽然我之前也对基准电压源有所了解，但也是看了数十篇论文和助教老师给我们的资料之后，才对我们要设计、仿真的对象