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一个高性能带隙基准电压源的设计
基准电压是集成电路设计中的一个重要部分，特别是在高精度电压比较器、数据采集系统以及A／D和 D／A转换器等中，基准电压随温度和电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能。因此，在高精度的应用场合，拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提。
传统带隙基准由于仅对晶体管基一射极电压进行一阶的温度补偿，忽略了曲率系数的影响，产生的基准电压和温度仍然有较大的相干性，所以输出电压温度特性一般在20 ppm／℃以上，无法满足高精度的需要。
基于以上的要求，在此设计一种适合高精度应用场合的基准电压源。在传统带隙基准的基础上利用工作在亚阈值区MOS管电流的指数特性，提出一种新型二阶曲率补偿方法。同时，为了尽可能减少电源电压波动对基准电压的影响，在设计中除了对带隙电路的镜相电流源采用cascode结构外还增加了高增益反馈回路。在此，对电路原理进行了详细的阐述，并针对版图设计中应该的注意问题进行了说明，最后给出了后仿真结果。
l 电路设计
1．1 传统带隙基准分析
通常带隙基准电压是通过PTAT电压和CTAT电压相加来获得的。由于双极型晶体管的基一射极电压Vbe呈负温度系数，而偏置在相同电流下不同面积的双极型晶体管的基一射极电压之差呈正温度系数，在两者温度系数相同的情况下将二者相加就得到一个与温度无关的基准电压。
传统带隙电路结构如图1所示，其中Q2的发射极面积为Q1和Q3的m倍，流过Q1～Q3的电流相等，运算放大器工作在反馈状态，以A，B两点为输入，驱动Q1和Q2的电流源，使A，B两点稳定在近似相等的电压上。
假设流过Q1的电流为J，有：
由于式(5)中的第一项具有负温度系数，第二项具有正温度系数，通过调整m值使两项具有大小相同而方向相反的温度系数，从而得到一个与温度无关的电压。理想情况下，输出电压与电源无关。
然而，标准工艺下晶体管基一射极电压Vbe随温度的变化并非是纯线性的，而且由于器件的非理想性，输出电压也会受到电源电压波动的影响。其中，曲线随温度的变化主要取决于Vbe自身特性、集电极电流和电路中运放的失调电压，Vbe自身特性对曲率的影响最为严重，所以要获得高性能的带隙基准电压，就必须对曲线的曲率进行校正。在本设计中，针对Vbe的高阶温度特性进行了补偿，并通过引用共源共栅和反馈电路来优化带隙电路的电源电压抑制特性。
1．2 高性能带隙基准电路
该设计的完整电路如图2所示，M6～M16电容C和电阻R4构成运算放大器；M1～M5为放大器提供所需要的偏置电流；基本带隙部分由M13～M18， Q1～Q3以及R1和R2组成；M19，M20，R3构成二次曲率补偿电路，M21～M28构成反馈放大反馈电路抑制电源波动，M29～M31完成电路的启动功能；最后由pwr实现电路的开关状态。
由文献[2]可知，二次曲率的校正可以通过不同温度系数的电阻来实现，即：
由于R1和R3具有不同的温度系数，对二者比值用泰勒公式展开，有：
编 辑：王群芳
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带隙基准电压源电路设计研究
本文采用自偏压电流源电路，去掉运算放大器，利用MOS管电流镜技术补偿其输出电压所经过的三极管的基极电流获得精确的镜像电流，得到了在-20～+80℃温度范围内具有3×10-6？℃的温度系数的基准电压。
　　3　高精度带隙基准电压源的版图设计&　　高精度带隙基准电压源电路的版图设计对于其精度的影响起着至关重要的作用。根据电路设计要求，我们在版图电路中将对其性能影响起关键作用的器件进行了布局的要求：　　（1）图2所示原理电路中的Q1，Q2管要求能进行良好地匹配，由于Q1管的个数为1，而Q2管的个数为9，从版图中可以看出Q2管分布在Q1管的周围。　　（2）图2所示电路中的电阻R1和R2要求能良好地匹配。　　（3）图2所示电路中的电流镜也要求能良好匹配。&　　4　高精度带隙基准电压源的仿真及测试结果&　　高精度带隙基准电压源电路采用台积电（TSMC）5V电源电压、0135Lm（313V？5V）、2P4MCMOS工艺生产制造，芯片面积为01654mm&01340mm，功耗为512mW.　　基准电压源的输出电压Vref在-20～+80℃的温度范围内的仿真曲线从图3可以看出。同时，从其频响曲线图4上还可以看出，基准源电路的输出电压具备较高的电源电压抑制比（-85dB）。由于电路中R1，R2的匹配精度对输出的性能指标影响较大，需在版图中的电阻上加入修整（Trimming）电路保证，此外，版图中三极管Q1，Q2也需得到较好的匹配，这样，Q1管可放在中间，Q2管可放在Q1管的周围。　　仿真得到的带隙基准电压源电路温度曲线、输出频响曲线如图3、图4所示，电路版图及芯片照片图分别如图5、图6所示，芯片的测试结果如表1所示。&　　　　图3　带隙基准电压源电路输出电压V ref在- 20～ + 80℃时的温度曲线　　　　图4　带隙基准电压源电路的输出电压V ref的电源电压抑制比　　　　图5　带隙基准电压、电流源电路的版图　　　　图6　含有带隙基准电压、电流源电路的芯片照片图　　表1　测量得到的带隙基准电压源电路芯片特性　　&　　5　结论&　　本文提出了一种自偏压、叠加式电流源结构带隙基准电压源电路。通过补偿基准电压源输出电压所经过的三极管的基极电流得到了在-20～+80℃温度范围内温度系数为3&10-6℃，电源电压抑制比为-85dB的高精度带隙基准电压输出，消除了传统基准源电路因运放中存在失调电压及电源电压抑制比限制基准源指标的进一步提高等各项不利因素。对所流出的带隙基准电压源芯片进行了测试及分析，实际测得的基准电压源的各项指标与仿真结果基本吻合，各项实测指标完全满足设计要求，将此电路应用于数模混合等各项特性指标要求较高的通信芯片中，具有极其广泛的应用前景。
责任编辑：Kevin
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*验 证 码：基于cadence仿真的带隙基准电压源设计--《硅谷》2012年13期
基于cadence仿真的带隙基准电压源设计
【摘要】：基于cadence仿真软件,首先设计PMOS做输入级的CMOS两级运放,再在放大器基础上设计一阶带隙基准电压源。在电源电压为3v,温度范围-20度到120度之间时实现基准电压的温度系数为0.59ppm。当电源电压在2.4v到3.5v之间变化时,输出电压最大变化量为9mv,电源抑制比为42dB。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TN432【正文快照】：
0引言本文设计简单的一阶带隙基准电压源,对参数确定和仿真过程都做了详细的讲解。旨在让初学者了解带隙基准电路的一般设计过程、理解带隙电路的基本参数,为初学者提供参数确定的一般方法、仿真验证的基本操作以及常见问题的解决方法。1总体电路设计本文采用cadence仿真软件
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