集成电路课程设计-一阶温度补偿带隙基准

1、、功能描述设计一个一阶补偿的带隙基准电路，参数要求如下：1. 全温度特性温度漂移系数小于30ppm/C2. 输出电压大约为土、电路设计1. 带隙基准的根本原理带隙基准的根本原理是将两个拥有温度系数相反的电压以适宜的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。双极性晶体管具有以下两种特性：双极性晶体管的基极-发射极电压Vbe电压与绝对温度成正比；在不同的集电极电流下，两个双极性晶体管的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。因此，双极性晶体管可以构成带隙电压基准的核心。1) 负温度系数电压对于一个双极型晶体管，其集电极电流与基极-发射极电压的关系为Ic lsexp(VBE/VJ其中，J是双极型晶

2、体管的把螯合电流；V kT/q , k为玻尔兹曼归还苏，q为电子电荷。进一步利用饱和电流Is的计算公式，可以得到 Vbe的温度系数为Vbe Vbe (4 m)VT Eg / qTT从上式可见，Vbe电压的文帝系数与温度本身有关，因此如果正温度系数是一个固定值，与温度无关，那么在带隙电压基准的温度补偿中就会出现误差。2) 正温度系数电压如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为nl0与I0，并且忽略他们的基极电流，那么它们的基极-发射极电压差值为VBE VBE1 VBE2=Vt l n 皿 Vt l nh Vt l nnI S1I S2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

3、身以及集电极电流无关。3) 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：Vref*Vbe*(Vt Inn)通过设置适宜的参数可以获得零温度系数电压。2. 带隙基准的电路图1) 整体电路的设计带隙电压基准的根本电路图有两种，一种是利用PTAT电流产生电压基准，另外一种是采用运算放大器输出端产生基准电压，本次设计最终采用拉扎维?emos模拟集成电路设计?书上采用的电路图1:图1整体电路图2放大器电路的设计带隙基准所需要的放大器需要高增益，但是对频率响应要求不高，所以选择在简单的 差分放大电路后面加一级共源放大电路获得所需要的高增益放大，如

4、下列图，管子的尺 寸做的与差分放大电路根本一样，可以获得相同的放大增益，如图为放大器电路图In图2放大器电路图如图为放大器偏置电压电路图3图3偏置电路3. 电路参数的计算1)电路所需参数的获取,以老师实际建模的能够正常工作的一级差分放大电路为模型，测量计算得到以下参数:pmos_3p3 pCx 30u=0.2 VTH=nmos_3p3 nCox 110u=0.1 VTH=对于本电路最重要的一个参数是pnp管的温度漂移系数，对于这个系数通过实际搭建简单电路进行测量，测量结果如下，在27 C / C2)电路参数的计算由电路原理得VoutVBE2(VT ln mn)(1为了得到零温度系数输出那么：V

5、outVbeVtR2、-(ln mn)(1-)TTTR1由于 VBE/ T 1.35mv/C，Vt/T 0.087mv/ C ,所以可以计算得到(R / R 1)lnmn 15.5，取 R / Ri=4，即取 R2=8K R1=2K 那么得到 In mn =，那么 mn=取 m=3 n=9,通过放大器的反应作用，可以将如图x，y两点的电压钳制为相同值，贝UR1电阻两端的电压为VBE VT In(mn)计算可以知道nIVBE / Ri 40uA进一步可以得到 ml 14uA，显然M0与M1管为放大器两边提供电流源，放大器的输出通过两个支路的电流互相反应钳制在一个固定值，由于电源电压为3.3V ,

6、 Vbe大约为0.75V，所以取放大器的输出钳制在2V,然后可以得到 M0管与M1管的宽长比。利用公式W22pCoxfZh)代入各自的电流，得到M0的宽长比为9, M1的宽长比为15.按照这个结果可以求的 Vout 1.17V4. 电路的spice前仿1)放大电路的前仿，放大器采用了差分放大电路+共源放大电路的两级运放，最后获得的放大增益与相频特性如图：图4幅频特性与相频特性如图4放大增益可以到达 80dB。2)电路的仿真优化a) PNP管个数的优化理论设计pnp管的个数为9,即n=9，但实际可能存在误差，所以通过仿真可以具 体确定所需pnp管的个数，通过仿真发现只有当 pnp管的个数到达11

7、个时才能够 表现出较好的温度特性曲线，所以最终电路图中采用11管pnpb) MO管参数优化理论计算知道 M0管宽长比为10时温度特性曲线最好，通过实际仿真优化发现理 论与实际完全一致，如下列图，当M0管宽长比为10时，温度特性曲线最好 :1.2301.2101 1501.1-0A 1.15011. fl-90MM图5 M0管参数优化c) M1管参数的优化通过理论计算得到 M1的宽长比为15,但实际仿真的结果显示当宽长比为23时,温度特性曲线最好，如图6d电阻R1的优化选取的电阻两个一个为8K, 个为2K,通过仿真优化，发现当R2=,如图73负温度系数与正温度系数的测量结果图7电阻R1参数优化图

8、通过以温度为扫描变量的直流扫描可以得到电路的负温度系数特性与正温度系数特性 曲线分别如下列图，其中图8/CJk宀B - j . h一轴aismp f C )MJ14图8负温度系数曲线120m-BUlSrn-；ia-n-勺0 0E-日0 0E-7& NliV -4j3一叫20.UMM11140( C )匚：| f .FS 2.j!2SJ inrj37Ub Ji AJ.Jjilyrrj:-J- 3lltifi. -2 JU .ju图9正温度特性曲线图9为正温度特性曲线，温漂系数为321uV/ C4温度特性曲线温度特性曲线作为带隙电压基准最重要的参数，其温度漂移系数决定电路的整体性能，因此我们测量了

9、全温度特性曲线，如图10即从-40到125 C的电压变化，测量结果显示最大偏差为3.98mv，通过温度漂移系数的计算可以知道：bondgap bindgop_2eche mdtic:Sep 16 19:57:3 20UExpressio n 呂K2000n : AiA1J9S0:k1J980_1.19601.BrIaaaIat ibhIKkHii11lilihhh1.1-40.020,0tem p 180,0mmA; 12dehc： 9.7954 -Jr9SWnn?B: 1124.793 1JS578) slope: -59.8954u图10温度特性曲线5PSR特性曲线仿真电源抑制比是衡量电路

10、对电源线上噪声的抑制能力的参数，对于带隙电压基准定义为电源电压变化引起的输出增益的倒数，我们在电源电压上叠加一个小的交流信号，然10鮒I100 PK 1Mfreq 七、图 11 PSR后进行交流仿真，可以得到如下仿真图11：6上电特性对于一般的带隙基准存在 0偏执点，所以有时候需要启动电路，考虑到时间问题，采 用了不外加启动电路的放大，同样仿真出了上电特性，上电特性是通过将电源改成脉 冲波的形式进行仿真，结果如图：图12上电特性可见，改电路大约需要 1us时间才能够稳定下来，正常工作。三、幅员设计1. 幅员设计思路本次课程设计采用 0.35um工艺，考虑到不用实际流片，所以在电路参数设计时采用

11、较大的 沟道长度，提高器件的可靠性，为了减少设计周期，采用台积电提供的 PDK库来完成器件的设计, 整体只需要考虑器件的布局与连线，为了减少错误率，先将放大器与偏置电路局部幅员，然后连 接到一起整体布局，2. 整体幅员如图13幅员面积为79*95um图13幅员四、幅员验证1. DRC检查DRW查是检查幅员是否符合幅员设计规那么，通过不断过失，最终无 果如下DRC检查错误，检查结图14 DRC检查结果2. LVS检查LVS检查是检查幅员是否与电路图一致，最终检查结果显示只有一个与电阻相关的错误，经 过检查发现是软件在自己提取电阻的网表时忽略掉了衬底电极导致，检查结果如图153Iihf- iwrr

12、ai VHwnai&nnaTm璋】InsrUh-ii fc -frw-i Li.T=-iit.4皿5“咖it am!pt 1430 atlflC.4h4!#AVdC.h44K4 苹d.414t*d bp 41-1.11*1 E&dvrLJih i0 JihlE.l Cdfe vsEndvncv Pq l：-at: 鮎 :*ddl Q 岳dl aMA丄?Fvlaca: : h ciEiii 4 I tha l il : Hlaa cfe 1-d r b*l-fR: 口 : uh ndl Et lncjuJi ihat丄* Vb*=*Ln_Th*- 1 rt *d ab *oe ht*j cti

13、rtri r 1: . rh- H*!hlqs丄Da kL Llue laaur* f LVTHrb-lira-rv hwtoy a ka1i qn Lhq * i# E.iiHF4 Ab |vh a 4i t* nd|hvi a图15 LVS检查结果3. PEX参数提取结果通过对电学参数的提取，可以进行相应的幅员后仿，PEX提取局部结果如图16:i ! J-ph 1 -3*J Hl 1-15* |H ； I !*1 W Ff -： : *r *.:r -：. - i : :二厂 y t- : T-严 p i.B1. -&fc 1“ ssf-1! a -1 - : j E-i-l 3 s -J

14、? |-i-. . I * -Ir- h4M. 1 a i .izos/xg1 misi?riT3i.Tetsftm ri*r 、頊,Dd41*.33-pM.UC pr3 .IVcMlI mhTirznsnEi * mr-iz e ke? .muxtncmi aiXiHi i/Hrrcw vjd i rww_ari fcij, Vfli-lt 审 1*丼甲MM*, |nU Hli W |W4.17*11 vMiazu i-X： 1 W2 *1I id E. ：j W :d.-:e MU-a-E? HIW_WP XXI E iIETj-SI MZT3T 口0 E2 TiETW 3J 1MH M：

15、7*-Ddi pi %* it 严i j.r-. 丫 * .j A-： i 秋申t! ! KCI .fKIlATarTR Hl? I!- ：J I .ik-WTW I MOiMl t S3 i. J L ： . Lj* . .J-_.J “：-MH 冲Hiht卄袖 wiir jjs+ i no电 -L2p-dRi. 14-W p-3 .EJri- . 1 IJI I： . I 1KES.iu.-9-i-3 idi-E 1 . U li iEt；-： Mj le- ii hJ.t-仆 P-HI i-陽ft 戦鼻 i iH+-d.rJ EO11,- WiiI.：Dl-CB-u,ZO. .laKr*

16、Iioi,i；_str:r v iirrL ijojitl. noiw -ar 询上.冷！3-KEl .*E： . iKXJTIl Id1*!號I * p厂 iM-rrt . mi. i iKU 7hIhiMTI,-r Itilli 剔 I ：L 斗町1 H-j Jr*L la-Li mb 5 .hm.mm ：!. u -Lir i.1J E-1-1 Lk吋 3 li IU43J22 3101 pT 3T u wd-4 ? nii mag.oF.fTi BU.J u -b Lj isJaj.AUC4iM |M_wH.lf 甲UEgLF*nt r rra-OI Is h图16幅员电学参数提取结果

17、五、结果分析及性能评估：1. 网表数据* auCdl Netlist:* Library Name:ban dgap* Top Cell Name: ban dgap* View Name:schematic* Netlisted on: Sep 20 10:54:30 2021*.EQUATION*.SCALE METER*.MEGA*.GLOBAL gnd!+vdd!*.PIN gnd!*+ vdd!* Library Name: ban dgap* Cell Name:comp_amp* View Name:schematic*.SUBCKT comp_amp in ip ven vou

18、t*.PININFO in:I ip:I vcn:I vout:OMNM0 vout vc n gnd! gnd! nmo s_3p3 W=30u L=1u M=1MM4 net50 vcn gnd! gnd! nmos_3p3 W=30u L=1u M=1MM3 n et060 ip n et50 gnd! nmo s_3p3 W=40u L=1u M=1MM0 net033 in n et50 gnd! nmo s_3p3 W=40u L=1u M=1MPM0 vout n et033 vdd! vdd! pmos_3p3 W=20u L=1u M=1MM2 n et060 n et060

19、 vdd! vdd! pmos_3p3 W=20u L=1.5u M=1 MM1 n et033 n et060 vdd! vdd! pmos_3p3 W=20u L=1.5u M=1 .ENDS* Library Name: ban dgap* Cell Name:Ibias* View Name:schematic*.SUBCKT Ibias vn*.PININFO vn:ORR0 n et20 gnd! 1.99887K $n plus_uMNM3 vn vn gnd! gnd! nmos_3p3 W=10u L=1u M=1MNM1 vdd! net020 vn gnd! nmos_3

20、p3 W=8u L=500n M=1MNM0 n et020 n et020 gnd! gnd! nmo s_3p3 W=100u L=350n M=1MNM2 net038 vn n et20 gnd! nmos_3p3 W=10u L=1u M=1MPM0 net020 net020 vdd! vdd! pmos_3p3 W=100u L=350n M=1 MPM2 vn net038 vdd! vdd! pmos_3p3 W=10u L=1u M=1MPM1 n et038 n et038 vdd! vdd! pmos_3p3 W=10u L=1u M=1 .ENDS* Library

21、Name: ban dgap* Cell Name:amp_Idias* View Name:schematic*.SUBCKT amp_Idias in ip vout*.PININFO in:I ip:I vout:OXI1 in ip n et8 vout / comp_ampXI0 net8 / Ibias.ENDS* Library Name: ban dgap* Cell Name:ban dgap* View Name:schematic*.SUBCKT ban dgap Vout*.P ININFO Vout:ORR1 n et15 net6 1.99887K $n plus_uRR0 Vout n et15 7.9008K $ nwellQQ2 gnd! gnd! net6 vpn p_2x2 M=1 $EA=4e-12QQ3 gnd! gnd! net6 vpn p_2x2 M=1 $EA=4e-12QQ4 gnd! gnd! net6 vpn p_2x2 M=1 $EA=4e-12QQ5 gnd! gnd! net6 vpn p_2x2 M=1 $EA=4e-12