Bandgap带隙CircuitPPT课件

1、1.电压基准和电流基准的作用；电压基准和电流基准的作用； 2.电压基准结构选择；电压基准结构选择；3.与温度无关的电压基准与温度无关的电压基准bandgap；4.实际实际bandgap电路设计；电路设计；5.实际实际bandgap电路仿真；电路仿真；6.电流基准的设计：电流基准的设计：PTAT电流电流/与温度无关电流；与温度无关电流；7.补充内容：闭环电路的稳定性判据；补充内容：闭环电路的稳定性判据；8.课后练习要求。课后练习要求。Outlinebandgap参考电压源电路设计与仿真参考电压源电路设计与仿真第1页/共47页电压基准和电流基准的作用 模拟电路的设计中须广泛的应用到电压基准和电流基

2、准，它们是直流量，为核心电路提供偏置，建立直流工作点； 一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在着一定的波动，而模拟电路对偏置电压的稳定性要求较高，因此一般会使用一个参考电压源，它将电源电压转化为一个具有良好电压稳定性和温度稳定性的电压，以提供良好的偏置。 同时大部分电路也需要一个参考电流源以提供偏置，常见的有不随温度变化的电流和与温度成正比的电流；第2页/共47页电压基准和电流基准的作用 常用的基准有：常用的基准有： 与温度无关的基准电压；与温度无关的基准电压； 与温度成正比的电流（与温度成正比的电流（PTAT电流）；电流）； 与温度无关的电流与温度无关的电流.第3页/共47页电压基准结构选

3、择电压基准结构选择 灵敏度S ：灵敏度用于衡量参考电压源的稳压特性，灵敏度越低参考电压源的稳压特性越好。 动态电阻：对于一个二端元件，当其端电压变化时，端电压微小增量与端电流微小增量的比值。动态电阻等于IV曲线上参考点处曲线斜率的倒数。)()(DDDDREFREFVVVVs介绍两个概念r=IV第4页/共47页电压基准结构选择电压基准结构选择 对一个一般的分压网络进行分析，R1、R2为阻性元件。假定电源电压变化了 ,因为R1和R2串联， 会以一定比例分配在这两个电阻上，并且两者的电流改变量一致。REFV1R2RIrrIIVIIVVVVRRRRRR212121VV第5页/共47页电压基准结构选择电

4、压基准结构选择 这说明 在R1、R2上的分配与R1、R2的动态电阻成正比。如果我们能让R1的动态电阻很小，R2的动态电阻很大，则 大部分落在R2上，一小部分落在R1上， 对电源电压的灵敏度会大大降低，稳压性能就会得到很大提高。REFV1R2RIrrIIVIIVVVVRRRRRR212121VV第6页/共47页电压基准结构选择电压基准结构选择 如果选择R1、R2均为线性电阻，则它们的动态电阻与静态电阻相等。电源电压变化量 将仍以原来的静态电阻的分压比分配给R1、R2，最后R1、R2 的分压比与电源电压变化前相比没有改变。所以 与电源电压将等比例变化，S=1，稳压效果不理想。REFV1R2RVIV

5、IVV第7页/共47页电压基准结构选择电压基准结构选择 在CMOS电路设计中，最自然的考虑是用非线性电阻元件MOS二极管来替代电阻R1。 MOS二极管具有较小的动态电阻。在W/L=2,R2=100K情况下，S的典型值为0.283。REFV1R2RVIVI第8页/共47页电压基准结构选择电压基准结构选择 在CMOS工艺当中，我们还可以利用寄生的纵向pnp三极管来形成二极管，它比MOS二极管具有更小的动态电阻。典型值S=0.0362。此种结构的稳压性能比较好，现阶段我们都采用此种结构。VIVI第9页/共47页bandgap电路设计 这种结构的稳压性能虽好，但是它的温度特性仍然没有得到改善。 具有负

6、的温度系数，在室温时大约是-2.2mV/。我们可以通过补偿的方法来改善参考电压源的温度特性。我们期望构造出具有正温度系数的KT项，其中K为正常数，T为热力学温标,使 当温度变化时， 与KT具有相反的变化趋势，则可以使 的温度特性得到补偿。KTVVBEREFBEVREFVBEV第10页/共47页bandgap电路设计 此结构是在一个负反馈运算放大器的两个输入端各接一个稳压电路。两路稳压电路并联。它们并联的总电压作为我们所要的参考电压，连接到运放的输出端输出。电源电压包含在运放里。下面分析一下它的工作原理。REFV1Q2Q1R2R3R1I2I1RV第11页/共47页bandgap电路设计REFV1

7、Q2Q1R2R3R1I2I1RV32RBEREFVVVTAIAIqkJJqkTJJqkTVVVEESSBEBER21121122121lnlnln12121323RRVRIRIVRR（VR3即是我们要构造的KT项）k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，T为绝对温度,A为发射极面积。第12页/共47页bandgap电路设计TARARqkRRVEER2312123ln*KTVTARARqkRRVVVVBEEEBERBEREF2231212232ln*0ln231212EEARARqkRRK将VR1带入 VR3，得其中所以TARARqkVEER23121ln3212RRII因为所以第13页/共47页ban

8、dgap电路设计1.K必须独立于温度(用电阻之比)2.K必须独立于电源电压KTVVEBREF20ln231212EEARARqkRRKREFV1Q2Q1R2R3R1I2I1RV第14页/共47页REFV1Q2Q1R2R3R1I2I1RVKT项其实是两只稳压管的be结电压之差，这个电压我们是通过负反馈运放虚短用R1电阻取得的。我们又通过负反馈的作用使得I1/I2固定于R2/R3，从而使得K值独立于温度和电源电压。最后，通过R1与R3的电压线性比例关系得到在R3上的温度补偿电压。bandgap电路设计第15页/共47页bandgap电路设计第16页/共47页bandgap电路设计第17页/共47页

9、bandgap电路设计第18页/共47页bandgap电路设计第19页/共47页bandgap电路仿真 分析目的：直流温度扫描分析是为了分析参考电压源的温度特性，即在扫描温度范围内输出的参考电压值随温度的变化情况。 测试激励：固定供电电压源1.8V，扫描温度参数。扫描范围（-40，120）。直流温度扫描第20页/共47页bandgap电路仿真第21页/共47页bandgap电路仿真 分析目的：分析在工艺参数变化的情况下，输出参考电压的变化情况。 测试激励：corner分析，ff,ss,温度扫描范围（-40，120）。工艺角扫描第22页/共47页bandgap电路仿真 分析目的：直流电压扫描分析

10、是考察在供电电源电压值线性变化的情况下，输出参考电压值的变化情况。 测试激励：施加直流电压线性扫描，供电电压扫描范围（1.6V，2V）。直流电压扫描第23页/共47页bandgap电路仿真 PTAT电流的产生第24页/共47页 目的： 产生与温度和电源都无关的电压基准； 产生与温度无关的电流基准；bandgap电路设计进阶第25页/共47页bandgap电路设计进阶第26页/共47页bandgap电路设计进阶第27页/共47页bandgap电路设计进阶第28页/共47页bandgap电路设计进阶第29页/共47页bandgap电路设计进阶第30页/共47页bandgap电路设计进阶 其它结构的

11、电压基准电路设计 产生与温度和电源无关的电压基准； 产生与温度无关的电流基准；第31页/共47页bandgap电路设计进阶第32页/共47页bandgap电路设计进阶第33页/共47页bandgap电路设计进阶第34页/共47页bandgap电路设计进阶第35页/共47页bandgap电路设计进阶第36页/共47页bandgap电路设计进阶第37页/共47页bandgap电路设计进阶第38页/共47页补充补充 闭环电路的稳定性判据 sTsAssAsAsAV11011-180)A(j 1)A(j occur whencan n oscillatios,other wordIn oscillate

12、can amplifier theandinfinity togoesgain the-1,)jA(s As第39页/共47页补充补充Stability Analysis with Bode Plots第40页/共47页ENDQ&A第41页/共47页课后练习要求：课后练习要求： Bandgap2_2v调试，电路如下：第42页/共47页课后练习要求课后练习要求 指标要求： VREF直流范围：0.7V0.9V; IREF直流范围：10uA50uA VREF温度系数：60degree gain margin10dBmVVREF1AIREF1AIREF1第43页/共47页课后练习要求：课后练习要求： Bandgap3_3v调试，电路如下：第44页/共47页课后练习要求课后练习要求 指标要求： VREF直流范围：1.1V1.3V; IREF直流范围：50uA100uA VREF温度系数：60degree gain margin10dBmVVREF1AIREF1AIREF1第45页/共47页预习要求预习要求 比较器电路基础； VCO与PLL电路基础； 射频电路基础：史密斯圆图，阻抗匹配，最大功率传输原理，高频电路中电容与电感如何等效； 参考书目： P.E. Allen, “CMOS Analog Circuit Des