基准电压源设计及选用介绍
通常我们选用稳压二极管作为基准电压源，这是最简单、也是最传统的方法，按照所需电压值选一个对应型号的稳压管当然可以，但选得是否合适、是否最佳，却大有讲究。
最基本的电压基准源电路如图1(a)、稳压管的击穿特性如图1(b)所示。由
图1(b)可见，不同稳压值的击穿特性并不相同，4V以下稳压管的击穿特性非常“软”(动态电阻可高达100Ω以上)，其端电压随通过电流的不同、变化很大;
而6V以上的特性就非常“硬”、尤以8V左右的特性最硬(动态电阻约4～15Ω)，击穿电压越高动态电阻也越大，例如30V稳压管的动态电阻约为50～100Ω。
环境温度变化时稳压管的击穿特性还会产生漂移。6V以下的稳压管具有负
温度系数、温度升高时稳压值减小。击穿电压越低则负温度系数越大，例如3V
稳压管的温度系数约为-1.5mV/℃;6V以上为正温度系数、温度升高时稳压值增大，击穿电压越高的温度系数越大，例如30V稳压管的温度系数约为33mV/℃;
而6V左右稳压管的温度系数最小、且在正负之间变化。因而在允许情况下应尽可能选用击穿特性较硬、温度系数最小的6V稳压管。这类稳压管的另一个缺点是同一型号管子其击穿电压的离散性很大，例如2CW1为7～8.5V、2CW5 为11.5～14V，要想挑出合适电压值的管子是非常困难的。但如果对稳压值要求不高、电路又比较简单的场合，选用普通稳压管还是合适的。
如需要很低的基准电压，要求不高、而又不希望增加成本时，也可利用二极管的正向特性做为约0.7V的稳压管使用。笔者曾用图示仪对大量二极管的正向特性做过观察，发现稳压管的正向特性相对其它二极管而言最硬，整流管次之、开关管最差，因此可用稳压管正向串联的办法组成0.7V、1.4V、2.1V等的低压
基准源，还可以通过改变通过电流的办法微调其端电压值。其温度系数约为-2mV/℃左右。
另一类常用的电压基准是采用半导体集成工艺生产的“基准二极管”和“精密电压基准”。“基准二极管”是一个双端单片式器件，其电特性和使用方法等同于稳压二极管，由于设计时已经考虑了动态电阻和温度系数问题，因而其性能(尤其是低电压器件)要比普通稳压管优越得多。例如LM103基准二极管，击穿电
压分档：1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6V;动态电阻典型值：15Ω/0.13mA、5Ω/3mA、比稳压二极管低约10倍，因而可在比较小的电流(100 uA-1mA)下得到较稳定的基准电压。
另一类较常用的基准二极管如LM385-1.2、LM385-2.5、LM336-2.5、LM336-5具有更小的动态电阻(如LM385 仅1Ω、LM336-5仅0.6Ω、LM336-2.5仅0.2Ω)，在很小的工作电流下即有很硬的特性、在10 uA电流下即可正常工作，而普通稳压管至少要在5～10mA下才能正常工作(严格讲并非不能工作，而是工作电流小时其击穿特性非常软、电流的微小变化即可引起端电压的明显变化);温度系数低，典型值仅20ppm/℃、约25uV/℃，比普通稳压管低百倍以上;工作电压分别为
1.235V、
2.5V、5V且工作电压的离散性很小、仅1-2%，一般情况下具有互换性;价格也不贵，因而得到广泛使用。
在要求稳定性极高的应用场合、可以考虑选用自恒温电压基准
LM199/299/399系列，其稳定电压典型值为6.95V、动态电阻典型值0.5Ω、
LM199/299温度系数<1ppm/℃。LM399温度系数<2ppm。其最大的优点是温度系数极小，可以说是几乎不受环境温度的影响。这是因为在其基片上除集成了一个能隙式电压基准外。还另外制造了一个加热、控温电路，工作时需单独对加热电路供电、即可自动将芯片加热并控温在90℃，因此只要环境温度的变化在85℃以下、可以认为芯片的环境温度没有变化.自然不会产生温度漂移。为保证恒温效果.在其金属壳外另加了一个由保温材料聚砜制造的隔热外壳.其管脚排列如图
2所示.典型应用电路如图3所示。
使用LM399时应注意的是，因其温度系数是有保证的.决定基准电压精度的主要矛盾转移到动态电阻上。在要求基准精度极高时.为基准芯片供电的工作电流必须恒定。如果如图3所示，基准芯片工作电流是由电源通过电阻提供，则要求供电电源必须恒定。笔者在研制高精度控温设备时发现，仅由普通三端稳压器如LM7809等次稳压供电的电源.在市电波动较大时其稳定度是不够的。相关实验数据如附表所示：
市电200V220V240V
整流滤波直流电压11.2V 12.7V 14.05V
7809输出电压9.0229V 9.070V 9.109V
LM399输出电压6.86361V6.86315V 6.86283V
由附表测试数据可见，市电±10%波动时、因7809输出电压仍有约86mV的变化，致使LM399基准芯片的工作电流亦产生微小变化。由于LM339的动态电阻并不为零，市电±10%的波动已造成基准电压约78 uV的变化。在高精度控制系统中.基准电压几个uV的变化就可能使系统精度超差。因此，在要求高稳定度的应用场合，最好对LM399的供电电源进行二次稳压，电路如图4所示。
如何为您的ADC选择最合适的基准电压源和放大器 主题: 驱动精密ADC：如何为您的ADC选择最合适的基准电压源和放大器? 在线问答: [问：callhxw] 如何评定一颗ADC非线性？丢码？ [答：Jing] you can use ADC"s INL and DNL parameter to evaluate the non-linearity and you can also use ENOB parameter to check code loss. Thanks!Generally ENOB releated with ADC"s SNR [2006-2-28 10:32:08] [问：吉星] 在差分输入时，不考虑直流，使用差分放大器和变压器哪个更好．[答：Mariah] Transformer is better for the better noise and distortion performance, especially in very high frequencies. [2006-2-28 10:32:14] [问：Jane Yang] 请问应如何处理板级噪声对于高精度AD的影响？特别是输入部分的噪声？ [答：Jing] This is a good question and it"s very difficult to answer. Generally, You should consider all the input noise derived from sensor/AMP/BUFFER. You can also use a LPF to reduce the input noise. Remember the BGP of AMP should be 100x of ADC"s throughput. Thanks! [2006-2-28 10:34:30] [问：石林艳] AD变换的参考基准源很重要，对模拟供电电源和数字供电电源的要求也很高吗 [答：Rui] 模拟供电电源，和数字供电电源相对基准源来说，精度要求相对较低，一般情况下用10uF的电容和0.1uF滤波即可。 [2006-2-28 10:34:31] [问：zcs_1] 请解释一下，分辨率和转换精度之间的区别 [答：Mariah] For conversion accuracy, it involves many aspecs. For example, INL, DNL, offset, gain error. [2006-2-28 10:34:46] [问：Leemour] 對不起能否講一下什麼是：RAIL TO RAIL，這個我一直不太明白。 [答：Xiangquan] 轨到轨指输入轨到轨，或输出轨到轨，具体指的是输入信号或者输出信号的范围基本接近于电源，譬如电源是+-5V，输入信号或输出信号可以达到+-4.9几V以上 [2006-2-28 10:35:25] [问：jlwg] 很多种adi的a/d转换器件都自带有标准电压源，请问是使用器件自带的标准电压源好还是另外使用独立的标准电压源更精确？ 另外使用ad7710时，每次转换通道后的第一次转换结果是否是有效的？ [答：Troy] Use an independant reference to get the highest accuracy and lowest temperature drift. It depends on how much accuracy your application needs over temperature. [2006-2-28 10:37:14] [问：xwlcba] 您提到驱动AD的运放增益带宽积要求大于100倍采样速率,请问对运放的转换速率有何具体要求? [答：Troy] To get the lowest distortion (THD), we recommend using an amplifier with at least 100x gain-bandwidth product greater than the sample rate. [2006-2-28 10:39:36] [问：bly1979m] 本人最近做了一个项目用于精确测量温度的，就用到了这两种器件！请推荐几款贵司产品？并说说它的大概价格是多少？ [答：Jing] It"s depend on the accuracy of your system requirement. I am
哈尔滨理工大学 软件学院 课程设计报告 课程大三学年设计 题目带隙基准电压源设计 专业集成电路设计与集成系统班级集成10-2 班 学生唐贝贝 学号1014020227 指导老师董长春 2013年6月28日
目录 一.课程设计题目描述和要求………………………………………… 二.课程设计报告内容………………………………………………… 2.1课程设计的计算过程…………………………………………. 2.2带隙电压基准的基本原理……………………………………. 2.3指标的仿真验证结果…………………………………………. 2.4 网表文件……………………………………………………… 三.心得体会……………………………………………………………四．参考书目………………………………………………………….
一．课程设计题目描述和要求1.1电路原理图： (1).带隙基准电路 (2).放大器电路
1.2设计指标 放大器：开环增益：大于70dB 相位裕量：大于60度 失调电压：小于1mV 带隙基准电路：温度系数小于10ppm/C ? 1.3要求 1>手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确，是否满足指标的要求，保证每个晶体管的正常工作状态。 2>使用Hspice 工具得到电路相关参数仿真结果，包括：幅频和相频特性（低频增益，相位裕度，失调电压）等。 3>每个学生应该独立完成电路设计，设计指标比较开放，如果出现雷同按不及格处理。 4>完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表，仿真结果。 5>相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看HSPICE 手册。 二. 课程设计报告内容 由于原电路中增加了两个BJT 管，所以Vref 需要再加上一个Vbe ，导致最后结果为(ln )8.6M n β??≈，最后Vref 大概为1.2V ，且电路具有较大的电流，可以驱动较大的负载。 2.1课程设计的计算过程 1> M8，M9，M10，M11，M12，M13宽长比的计算 设Im8=Im9=20uA (W/L)8=(W/L)9=20uA 为了满足调零电阻的匹配要求，必须有Vgs13=Vgs6 ->因此还必须满足(W/L)13=(Im8/I6)*(W/L)6 即(W/L)13/(W/L)6=(W/L)9/(W/L)7 取(W/L)13=27 取(W/L)10=(W/L)11=(W/L)13=27 因为偏置电路存在整反馈，环路增益经计算可得为1/(gm13*Rb)，若使环路
3.7基准参考电压源的选择 大多数数字电路、混合信号和模拟电路需要使用电压基准源，因此了解基准源的工作原理、参数和选择方法，对於系统设计是一个很重要的。本节比较了齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙电压基准三种电压基准源的优点和缺点，列出了使用时潜在的问题，介绍了它们的应用范围。讨论了在设计系统时，选择电压基准源需要考虑的问题。 3.7.1基准源的类型 基准源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙电压基准三种，它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。齐纳二极管是工作在反向偏置的二极管，需要一个串联的限流电阻。在要求高精度和低功耗的情况下，齐纳二极管通常是不适合的。例如，BZX84C2V7LT1齐纳二极管的标称输出电压Vout是2.5V，有±8%的公差，各个器件之间的输出电压会在2.3V到2.7V的范围内变化。 理想的电压基准源应该是内阻为零，不论电流是流进去还是流出来，都应当保持输出电压恒定。内阻为零的基准源是不存在的，然而内阻只有毫欧数量级的基准源是可以做得到的。齐纳二极管的内阻较大，电流为5mA时内阻为100Ω，1mA时600Ω。齐纳二极管在电压箝位电路中很有用，它们的箝位电压范围宽，从2V至200V，功率可以从几毫瓦到几瓦。表1比较了这三种电压基准源的优点、缺点，列出了使用时潜在的问题。 表3.7.1. 三种电压基准源的比较
注1：带隙半导体、直接带隙和间接带隙 ZnO是一种直接带隙半导体材料，为什么说它是直接带隙的？直接带隙会导致它有什么样的特点？ 直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。电子在k状态时的动量是（h/2pi）k，k不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。 采用带隙半导体材料制造的电压基准源温度稳定性好！ 3.7.2电压基准源的选择 选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指标是： ★初始精度 ★输出电压温度漂移 ★提供电流以及吸入电流的能力 ★静态电流 ★长期稳定性 ★输出电压温度迟滞 ★噪音 ★此外还有价格。 噪音是无法补偿的误差，因而基准源的噪音应当低。对于16位分辨率的数字系统，它的LSB值为1/65536，如果ADC是16位，满量程输入是0到5V，它能分辨的输入是1LSB，大约为76.3μV。可以选用MAX6150（35μVP-P），MAX6250（3μVP-P）
电压基准芯片的参数解析及应用技巧 电压基准芯片是一类高性能模拟芯片，常用在各种数据采集系统中，实现高精度数据采集。几乎所有电压基准芯片都在为实现“高精度”而努力,但要在各种不同应用场合真正实现高精度，则需要了解电压基准的内部结构以及各项参数的涵义，并要掌握一些必要的应用技巧。 电压基准芯片的分类 根据内部基准电压产生结构不同，电压基准分为：带隙电压基准和稳压管电压基准两类。带隙电压基准结构是将一个正向偏置PN结和一个与VT（热电势）相关的电压串联，利用PN结的负温度系数与VT的正温度系数相抵消实现温度补偿。稳压管电压基准结构是将一个次表面击穿的稳压管和一个PN结串联，利用稳压管的正温度系数和PN结的负温度系数相抵消实现温度补偿。次表面击穿有利于降低噪声。稳压管电压基准的基准电压较高(约7V)；而带隙电压基准的基准电压比较低，因此后者在要求低供电电压的情况下应用更为广泛。 根据外部应用结构不同，电压基准分为：串联型和并联型两类。应用时，串联型电压基准与三端稳压电源类似，基准电压与负载串联；并联型电压基准与稳压管类似，基准电压与负载并联。带隙电压基准和稳压管电压基准都可以应用到这两种结构中。串联型电压基准的优点在于,只要求输入电源提供芯片的静态电流，并在负载存在时提供负载电流；并联型电压基准则要求所设置的偏置电流大于芯片的静态电流与最大负载电流的总和，不适合低功耗应用。并联型电压基准的优点在于，采用电流偏置，能够满足很宽的输入电压范围，而且适合做悬浮式的电压基准。 电压基准芯片参数解析 安肯（北京）微电子即将推出的ICN25XX系列电压基准，是一系列高精度，低功耗的串联型电压基准，采用小尺寸的SOT23-3封装，提供1.25V、2.048V、2.5V、3.0V、3.3V、4.096V输出电压,并提供良好的温度漂移特性和噪声特性。
01电压基准及时间基准 所有模数转换器（ADC ）和数模转换器（DAC ）都需要一个基准信号，通常为电压基准 。ADC 的数字输岀表示 模拟输入相对于它的基准的比率； DAC 的数字输入表示模拟输 岀相对它的基准的比率。有些转换器有内部 基准，有一些转换器需要外部基准。不管怎样所 有转换器都必须有一个电压（或电流）基准。 数据转换器的最早应用是用于缓慢变化信号的直流测量。在这种情况下，测 量的精确定时并不重要。当 今大多数数据转换器是应用在数据采集系统， 在这种系统中必须处 理大量等间隔的模拟采样值， 而且频谱 信息与幅度信息同样重要，这里涉及到的采样频率或 时间基准（采样时钟或重建时钟）与电压基准一样重 要。 电压基准 问：一个电压基准怎样才算好 ？ 答：电压基准与系统有关。在要求绝对测量的应用场合，其准确度受使用基准值 的准确度的限制。但是在 许多系统中稳定性和重复性比绝对精度更重要； 而在有些数据采集系统中电压基准的长期准确度几乎完全 不重要，但是如果从有噪声的系统电源中派生基准就 会引起误差。单片隐埋齐纳基准 （如AD588和AD688） 在10 V 时具有1 mV 初始准确度（0 01 %或100 ppm ），温度 系数为1 5 ppm/ ° C 。这种基准用于未调 整的12位系统中有足够的准确度（1 LSB=244 ppm ），但 还不能用于14或16位系统。如果初始误差调整 到零，在限定的温度范围内可用于 14位和16位系统（AD588或AD688限定40C 温度变化范围，1 LSB=61 ppm ）。 对于要求更高的绝对精度，基准的温度需要用一个恒温箱来稳定，并对照标准校准。在 许多系统中，12 位绝对精度是不需要这样做的，只有高于 12位分辨率才可能需要。对于准确 度较低（价格也会降低）的应 用，可以使用带隙基准。 问：这里提到的“隐埋齐纳”和“带隙”基准是什么意思 ？ 答：这是两种最常见的用于集成电路中的精密基准。“隐埋”或表层下齐纳管比 较 稳定和精确。它是由 一个具有反向击穿电压修正值的二极管组成， 这个二极管埋在集成电路 芯片的表层下面，再用保护扩散层 覆盖以免在表面下击穿，见图 1 1。 图1-1我层齐抽二极管与睫埋齐纳二扱省结鞫图 图1 1表层齐纳二极管与隐埋齐纳二极管结构图 硅芯片表面和芯片内部相比有较多的杂质、 机械应力和晶格错位。这是产生噪声和长期 不稳定性的原因之 一,所以隐埋式齐纳二极管比表层式齐纳二极管的噪声小， 而且稳定得多，因此它被优先采用于芯片基准 源上作为精密的集成电路器件。 E- 1 厂 隐埠齐纳二械野
摘要 集成电路版图是集成电路系统与集成电路工艺之间的中间重要环节，集成电路版图设计是指把一张经过设计的电路图转变为用于集成电路制造的光刻掩膜版图形，再经过相应的工艺加工制造出能够实际应用的集成电路芯片。版图设计的优劣直接影响电路生成的芯片的成品率及可靠性。而集成电路中的基准电压源可以在温度和电压不断变化的环境中保持相对稳定的参考电压,基准电压源的性能直接影响到整个系统的精度和性能。因此,低压基准电压源版图设计具有非常有意义。 本文基于Cadence软件版图设计平台,采用的是XiYue 3um 40V Bipolar Design Rule。设计的版图元件包括NPN、PNP、二极管、电阻、电容。本次设计的主要目的是熟练使用cadence版图设计软件，熟悉电路知识和版图设计规则，掌握基本元器件的内部结构及版图画法，学会布局布线及其优化，从而掌握版图设计方法。 本次设计的版图顺利通过DRC和LVS验证，表明本版图设计符合要求。 关键词 cadence软件,版图设计,TL431 Subject: The Layout Design of Low-voltage reference voltage source circui Specialty: Microelectronics Name:Yuan XiaoWei (Signature)＿＿＿＿ Instructor:Liu ShuLin (Signature)＿＿＿＿ Abstract The IC layout is in the middle of an essential link between the IC system
0 引言 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源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
电压基准源的选择 在DAC和DAC里面都有电压基准源，它可以是芯片内部提供的基准也可以是外接的电压基准芯片。 基准源的类型 两种常见的基准源是齐纳和带隙基准源。齐纳基准源通常采用两端并联拓扑；带隙基准源通常采用三端串连拓扑。选择依据如下表： 并联结构的齐纳基准与串联结构的带隙基准的对照表。 表1.电压基准对照表 齐纳二极管缺点: 1)精确度达不到高精度应用的要求，而且，很难胜任低功耗应用的要求。例如： BZX84C2V7LT1，它的击穿电压，即标称基准电压是2.5V，在2.3V至2.7V 之间变化，即精确度为±8%，这只适合低精度应用。 2)齐纳基准源的另一个问题是它的输出阻抗。上例中器件的内部阻抗为5mA 时100Ω和1mA时600Ω。非零阻抗将导致基准电压随负载电流的变化而发生变化。选择低输出阻抗的齐纳基准源将减小这一效应。 所以在高精度应用的场合通常用带隙基准源。如14bit，210MSPS（刷新速率 UpDate Rate）的DAC9744内部就带一个2.1V的带隙基准源。
AD9744内部基准源配置 AD9744外部基准源配置 AD9744基准源配置管脚 （这个是AD9742的基准源配置管脚，AD9744的我怀疑错了，AD9742是与AD9744同系列的，一样管脚，只是AD9742是12bit，AD9744 16bit） REFLO——内部参考基准源地端。当使用内部1.2V参考基准源时，接AGND。当使用外部参考源时，接AVDD REFIO——参考基准源输入输出/输入端。 REFLO=AVDD，内部参考基准源无效，REFIO用作外部参考基准源输入。 REFLO=AGND=ACOM，REFIO用作内部基准源1.2V输出（100nA），REFIO 接0.1μF接ACOM(AGND)。
论文题目：带隙基准源电路与版图设计 摘要 基准电压源具有相对较高的精度和稳定度，它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或者为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一，而集成电路版图是为了实现集成电路设计的输出。本文的主要目的是用BiCMOS工艺设计出基准源电路的版图并对其进行验证。 本文首先介绍了基准电压源的背景发展趋势及研究意义，然后简单介绍了基准电压源电路的结构及工作原理。接着主要介绍了版图的设计，验证工具及对设计的版图进行验证。 本设计采用40V的0.5u BiCMOS工艺库设计并绘制版图。仿真结果表明，设计的基准电压源温度变化为-40℃~~85℃，输出电压为2.5V及1.25V。最后对用Diva 验证工具对版图进行了DRC和LVS验证，并通过验证，表明本次设计的版图符合要求。 关键字：BiCMOS，基准电压源，温度系数，版图 I
Subject: Research and Layout Design Of Bandgap Reference Specialty: Microelectronics Name: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿ ABSTRACT The reference voltage source with relatively high precision and stability, temperature stability and noise immunity affect the accuracy and performance of the entire system. Analog circuit using the reference source, or in order to get the bias has nothing to do with power, or in order to be independent of temperature, bias, and its performance directly affects the performance and stability of the circuit shows that the reference source is an integral part of the sub-circuit, excellent reference source is the design of all electronic systems the most basic and critical requirements of one of the IC layout in order to achieve the output of integrated circuit design. The main purpose of this paper is the territory of the reference circuit and BiCMOS process to be verified. This paper first introduces the background of the trends and significance of the reference voltage source, and then briefly introduced the structure and working principle of the voltage reference circuit. Then introduces the layout design and verification tools to verify the design of the territory. This design uses a 40V 0.5u BiCMOS process database design and draw the layout.The simulation results show that the design of voltage reference temperature of -40 ° C ~ ~ 85 ° C, the output voltage of 2.5V and 1.25V. Finally, the Diva verification tool on the territory of the DRC and LVS verification, and validated, show that the territory of the design meet the requirements. Keywords: BiCMOS，band gap , temperature coefficient, layout II
带隙电压基准源的设计与分析 摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。 基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。 在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。 1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。 以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。 1 带隙基准源工作原理 由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。 为得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的双极晶体管的基极-发射极电压VBE与具有正温度系数的双极晶体管VBE的差值△VBE以不同权重相加，使△VBE 的温度系数刚好抵消VBE的温度系数，得到一个与温度无关的基准电压。图2为一个基本的CMOS带隙基准源结构电路。
低电压带隙基准电压源设计 基准电压是数模混合电路设计中一个不可缺少的参数，而带隙基准电压源又是产生这个电压的最广泛的解决方案。在大量手持设备应用的今天，低功耗的设计已成为现今电路设计的一大趋势。随着CMOS 工艺尺寸的下降，数字电路的功耗和面积会显著下降，但电源电压的下降对模拟电路的设计提出新的挑战。传统的带隙基准电压源结构不再适应电源电压的要求，所以，新的低电压设计方案应运而生。本文采用一种低电压带隙基准结构。在TSMC0．13μmCMOS工艺条件下完成，包括核心电路、运算放大器、偏置及启动电路的设计，并用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证。 1 传统带隙基准电压源的工作原理 传统带隙基准电压源的工作原理是利用两个温度系数相抵消来产生一个零温度系数的直流电压。图1所示是传统的带隙基准电压源的核心部分的结构。其中双极型晶体管Q2的面积是Q1的n倍。 假设运算放大器的增益足够高，在忽略电路失调的情况下，其输入端的电平近似相等，则有： VBE1=VBE2+IR1 (1)
其中，VBE具有负温度系数，VT具有正温度系数，这样，通过调节n和R2/R1，就可以使Vref得到一个零温度系数的值。一般在室温下，有： 但在0．13μm的CMOS工艺下，低电压MOS管的供电电压在1．2 V左右，因此，传统的带隙基准电压源结构已不再适用。 2 低电源带隙基准电压源的工作原理 低电源电压下的带隙基准电压源的核心思想与传统结构的带隙基准相同，也是借助工艺参数随温度变化的特性来产生正负两种温度系数的电压，从而达到零温度系数的目的。图2所示是低电压下带隙基准电压源的核心部分电路，包括基准电压产生部分和启动电路部分。
带隙基准设计实例-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
带隙基准电路的设计 基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前,基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片,甚至整个控制系统的性能。因此,设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后,由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压,以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点,所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。 带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。 一 设计指标： 1、 温度系数：ref F V TC V T ?=? 2、 电压系数：ref F dd V VC V V ?=? 二 带隙基准电路结构：
三 性能指标分析 如果将两个具有相反温度系数（TCs ）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。 V REF = a 1V BE + a 2V T ㏑(n) 其中, V REF 为基准电压, V BE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, V T 为热电压。对于a 1和a 2的选择，因为室温下/ 1.5m /BE T V V K ??≈-,然而/0.087m /T V T V K ??≈+,所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得2(ln )(0.087/) 1.5/n mV K mV K α=,也就是2ln 17.2n α≈，表明零温度系数的基准为： 17.2 1.25REF BE T V V V V ≈+≈ 对于带隙基准电路的分析，主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。 1、瞬态分析 电源电压Vdd=5v 时，Vref ≈，下图为瞬态分析图。 2.电压系数的计算： 下图为基准电压Vref 随电源电压Vdd 变化dc 分析扫描。 扫描电压范围为：3到6v ，基准电压Vref 为，保持基本不变。
电压基准及时间基准The document was prepared on January 2, 2021
电压基准及时间基准 所有模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)都需要一个基准信号，通常为电压基准。 ADC的数字输出表示模拟输入相对于它的基准的比率；DAC的数字输入表示模拟输出相对它的基准的比率。有些转换器有内部基准，有一些转换器需要外部基准。不管怎样所有转换器都必须有一个电压(或电流)基准。 数据转换器的最早应用是用于缓慢变化信号的直流测量。在这种情况下，测量的精确定时并不重要。当[下载自.管理资源吧]今大多数数据转换器是应用在数据采集系统，在这种系统中必须处理大量等间隔的模拟采样值，而且频谱信息与幅度信息同样重要，这里涉及到的采样频率或时间基准(采样时钟或重建时钟)与电压基准一样重要。 电压基准 问：一个电压基准怎样才算好 答：电压基准与系统有关。在要求绝对测量的应用场合，其准确度受使用基准值的准确度的限制。但是在许多系统中稳定性和重复性比绝对精度更重要；而在有些数据采集系统中电压基准的长期准确度几乎完全不重要，但是如果从有噪声的系统电源中派生基准就会引起误差。单片隐埋齐纳基准(如AD588和 AD688)在10 V时具有1 mV初始准确度(001 %或100 ppm)，温度系数为1 5 ppm/°C。这种基准用于未调整的12位系统中有足够的准确度(1 LSB=244 ppm) ，但还不能用于14或16位系统。如果初始误差调整到零，在限定的温度范围内可用于14位和16位系统(AD588或AD688限定40℃温度变化范围，1 LSB=61 ppm)。 对于要求更高的绝对精度，基准的温度需要用一个恒温箱来稳定，并对照标准校准。在许多系统中，12位绝对精度是不需要这样做的，只有高于12位分辨
基准电压源设计及选用介绍 通常我们选用稳压二极管作为基准电压源，这是最简单、也是最传统的方法，按照所需电压值选一个对应型号的稳压管当然可以，但选得是否合适、是否最佳，却大有讲究。 最基本的电压基准源电路如图1(a)、稳压管的击穿特性如图1(b)所示。由 图1(b)可见，不同稳压值的击穿特性并不相同，4V以下稳压管的击穿特性非常“软”(动态电阻可高达100Ω以上)，其端电压随通过电流的不同、变化很大; 而6V以上的特性就非常“硬”、尤以8V左右的特性最硬(动态电阻约4～15Ω)，击穿电压越高动态电阻也越大，例如30V稳压管的动态电阻约为50～100Ω。 环境温度变化时稳压管的击穿特性还会产生漂移。6V以下的稳压管具有负 温度系数、温度升高时稳压值减小。击穿电压越低则负温度系数越大，例如3V 稳压管的温度系数约为-1.5mV/℃;6V以上为正温度系数、温度升高时稳压值增大，击穿电压越高的温度系数越大，例如30V稳压管的温度系数约为33mV/℃; 而6V左右稳压管的温度系数最小、且在正负之间变化。因而在允许情况下应尽可能选用击穿特性较硬、温度系数最小的6V稳压管。这类稳压管的另一个缺点是同一型号管子其击穿电压的离散性很大，例如2CW1为7～8.5V、2CW5 为11.5～14V，要想挑出合适电压值的管子是非常困难的。但如果对稳压值要求不高、电路又比较简单的场合，选用普通稳压管还是合适的。 如需要很低的基准电压，要求不高、而又不希望增加成本时，也可利用二极管的正向特性做为约0.7V的稳压管使用。笔者曾用图示仪对大量二极管的正向特性做过观察，发现稳压管的正向特性相对其它二极管而言最硬，整流管次之、开关管最差，因此可用稳压管正向串联的办法组成0.7V、1.4V、2.1V等的低压 基准源，还可以通过改变通过电流的办法微调其端电压值。其温度系数约为-2mV/℃左右。 另一类常用的电压基准是采用半导体集成工艺生产的“基准二极管”和“精密电压基准”。“基准二极管”是一个双端单片式器件，其电特性和使用方法等同于稳压二极管，由于设计时已经考虑了动态电阻和温度系数问题，因而其性能(尤其是低电压器件)要比普通稳压管优越得多。例如LM103基准二极管，击穿电
带隙基准源电路与版图设计
论文题目：带隙基准源电路与版图设计 摘要 基准电压源具有相对较高的精度和稳定度，它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或者为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一，而集成电路版图是为了实现集成电路设计的输出。本文的主要目的是用BiCMOS工艺设计出基准源电路的版图并对其进行验证。 本文首先介绍了基准电压源的背景发展趋势及研究意义，然后简单介绍了基准电压源电路的结构及工作原理。接着主要介绍了版图的设计，验证工具及对设计的版图进行验证。 本设计采用40V的0.5u BiCMOS工艺库设计并绘制版图。仿真结果表明，设计的基准电压源温度变化为-40℃~~85℃，输出电压为2.5V及1.25V。最后对用Diva 验证工具对版图进行了DRC和LVS验证，并通过验证，表明本次设计的版图符合要求。 关键字：BiCMOS，基准电压源，温度系数，版图
Subject: Research and Layout Design Of Bandgap Reference Specialty: Microelectronics Name: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿ ABSTRACT The reference voltage source with relatively high precision and stability, temperature stability and noise immunity affect the accuracy and performance of the entire system. Analog circuit using the reference source, or in order to get the bias has nothing to do with power, or in order to be independent of temperature, bias, and its performance directly affects the performance and stability of the circuit shows that the reference source is an integral part of the sub-circuit, excellent reference source is the design of all electronic systems the most basic and critical requirements of one of the IC layout in order to achieve the output of integrated circuit design. The main purpose of this paper is the territory of the reference circuit and BiCMOS process to be verified. This paper first introduces the background of the trends and significance of the reference voltage source, and then briefly introduced the structure and working principle of the voltage reference circuit. Then introduces the layout design and verification tools to verify the design of the territory. This design uses a 40V 0.5u BiCMOS process database design and draw the layout.The simulation results show that the design of voltage reference temperature of -40 °C ~ ~ 85 °C, the output voltage of 2.5V and 1.25V. Finally, the Diva verification tool on the territory of the DRC and LVS verification, and validated, show that the territory of the design meet the requirements. I
基准电压源的设计与选用 【来源:PCB信息网】【编辑:admin】【时间: 2009-5-31 9:25:55】【点击: 88】 基准电压是许多控制或应用电路所必需的，而且电路的控制精度或性能指标在很大程度上取决于基准电压的好坏。对基准电压的基本要求是：在电源电压和环境温 度变化时其电压值应保持恒定不变。 通常我们选用稳压二极管作为基准电压源，这是最简单、也是最传统的方法，按照所需电压值选一个对应型号的稳压管当然可以，但选得是否合适、是否最佳， 却大有讲究。 最基本的电压基准源电路如图1(a)、稳压管的击穿特性如图1(b)所示。由图1(b)可见，不同稳压值的击穿特性并不相同，4V以下稳压管的击穿特性非常“软”(动态电阻可高达100Ω以上)，其端电压随通过电流的不同、变化很大；而6V以上的特性就非常“硬”、尤以8V左右的特性最硬(动态电阻约4～15Ω)，击穿电压越高动态电阻也越大，例如30V稳压管的动态电阻约为50～100Ω。 环境温度变化时稳压管的击穿特性还会产生漂移。6V以下的稳压管具有负温度系数、温度升高时稳压值减小。击穿电压越低则负温度系数越大，例如3V稳压管的温度系数约为-1.5mV/℃；6V以上为正温度系数、温度升高时稳压值增大，击穿电压越高的温度系数越大，例如30V稳压管的温度系数约为33mV/℃；而6V左右稳压管的温度系数最小、且在正负之间变化。因而在允许情况下应尽可能选用击穿特性较硬、温度系数最小的6V稳压管。这类稳压管的另一个缺点是同一型号管子其击穿电压的离散性很大，例如2CW1为7～8.5V、2CW5 为11.5～14V，要想挑出合适电压值的管子是非常困难的。但如果对稳压值要求不高、电路又比较简单的场合，选 用普通稳压管还是合适的。 如需要很低的基准电压，要求不高、而又不希望增加成本时，也可利用二极管的正向特性做为约0.7V的稳压管使用。笔者曾用图示仪对大量二极管的正向特性做过观察，发现稳压管的正向特性相对其它二极管而言最硬，整流管次之、开关管最差，因此可用稳压管正向串联的办法组成0.7V、1.4V、2.1V等的低压基准源，还可以通过改变通过电流的办法微调其端电压值。其温度系数约为-2mV/℃左右。 另一类常用的电压基准是采用半导体集成工艺生产的“基准二极管”和“精密电压基准”。“基准二极管”是一个双端单片式器件，其电特性和使用方法等同于稳压二极管，由于设计时已经考虑了动态电阻和温度系数问题，因而其性能(尤其是低电压器件)要比普通稳压管优越得多。例如LM103基准二极管，击穿电压分档：1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6V；动态电阻典型值：15Ω/0.13mA、5Ω/3mA、比稳压二极管低约10倍，因而可在比较小的电流(100 uA-1mA)下得到较