电子科学与技术系
学年论文
中文题目：低功耗CMOS 带隙基准电路
英文题目: Low power CMOS bandgap reference circuit
姓名：张德龙
学号：1207010128
专业名称：电子科学与技术
指导教师：宋明歆
2015年7月12日
低功耗CMOS 带隙基准电路
张德龙哈尔滨理工大学电子科学与技术系
[内容摘要]运用带隙基准的原理, 提出了一种带启动电路的低功耗带隙基准电压源电路。运用Tanner画出电路图，Tspice仿真出结果表明, 在25℃、3.3V 下, 电路功耗为16.88μW ;另外, 在-30～125℃范围内, 1.9～5.5V下, 输出基准电压VREF =1. 225 ±0.0015V ,温度系数为γTC =14.75×10-6/ ℃, 电源电压抑制比为86dB 。该电路采用0.35μm3.3V/5VCMOS工艺制造。测试结果显示, 电路功耗仅为16.98μW 。
[关键词]带隙基准电压源、CMOS 、启动电路
Low power CMOS bandgap reference circuit
[Abstract] A low power CMOS bandgap voltage reference source with a star t-up circuit is presented based on the bandgap voltage theory. Results from Taner and Tspice simulation show that power dissipation of the circuit is 16. 88 μW at 3. 3V and 25 ℃. The voltage reference has an output voltage of 1. 225 ±0. 0015V for a temperature coefficient of 14. 75 ×10 - 6 / ℃, and a 86 dB in the temperature range from - 30 ℃ to 125 ℃ and VDD from 1. 9 V to 5.5V. This circuit is fabricated using
0. 35 μm (3. 3 V /5 V) CMOS technology , which consumes 16. 98 μW of power from
a single 3. 3 V power supply.
[Keywords]Bandgap voltage reference source ;CMOS ;Start-up circuit
目录
1 引言 (1)
2电路结构 (1)
2.1带隙基准的基本原理 (1)
2.2高性能带隙基准源电路结构 (6)
3 设计要点 (3)
3.1 带隙基准的参数设计 (3)
3.2 电路设计 (4)
4 仿真测试与结果 (4)
5结论 (7)
参考文献 (7)
1 引言
基准电压的输出电压是一个随电源电压，温度以及工艺参数变化很小的稳定的输出直流值。主要是通过一个与温度系数成正比的电压与一个与温度系数成反比的电压之和，二者的温度系数相互抵消，实现与温度无关的电源基准；由于工艺参数会随着温度变化，所以通过正负温度系数实现抵消来达到基准与工艺无关。
设计低功耗带隙基准电路原图，根据所设计的原理图用Tanner进行模拟电路，然后对各项进行仿真，对运放仿真，查看运放的幅频特性曲线；电源抑制比特性的仿真，分析基准输出随输入电压的变化；温度特性的仿真，分析基准输出与温度的关系曲线的关系；对这些仿真的结果进行探讨，是否与预期结果一样。
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。传统的带隙基准电压源电路中存在运算放大器, 基准源的指标在很大程度上受到运算放大器失调电压、电源电压抑制比等因素的限制。T. Books 和A. L. Westw isk 提出了一种带隙基准电压源的电路结构, 它去除了传统带隙基准电压源中的放大器, 但与传统的带隙基准电压源相比, 功耗较大,
且精度较低。针对这些问题, 本文基于带隙基准电压源产生的原理, 设计了一种具有良好启动电路的低功耗CMOS 带隙基准电压源。该电路采用自偏压电流源, 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, 从而可以获得精确的镜像电流。该电路除了典型的低功耗特性外, 因为电流镜各支路上叠加了一个MOS 管, 电源电压抑制比提高到86dB 。在电源电压VDD 从1.9 ～ 5.5 V 扫描的条件下,输出基准电压V REF =1. 225 ±0.0015 V ,温度系数为γTC =14.75×10- 6 /℃。
2 电路结构
2. 1 带隙基准的基本原理
带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术,其基本原理如图2-1 所示。由室温下温度系数为- 2.2 mV / ℃的pn结二极管产生电压VBE ,同时也产生一个热电压VT(VT =kT/q ,其中,k为波尔兹曼常数, T为热力学温度, q为电量),所以,VT与绝对温度成正比,在室温下,温度系数 VT/T =+0.085 mV / ℃。如果电压VT 乘以常量K′,再加上电压VBE ,则输出基准电压为V REF =V BE +K′V T (1)
(1)式中,VREF 为基准电压,VBE为双极型三极管的基极-发射极正偏电
压,K′为常量,VT为热电压。
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图2-1带隙基准的一般原理
由于VBE 受电源电压VDD 的影响非常小, 所以,带隙基准与电源电压几乎无关。因为在室温下输出电压的理论温度系数等于零, 所以, 将(1)式对温度T微分, 可解得常数K′。
2. 2 高性能带隙基准源电路结构
半导体的导带底与价带顶之差为带隙Bandgap。带隙是利用一个与温度
成正比的电压与二极管压降之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准。因为其基准电压与硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。
基于带隙基准电压源技术的原理, 设计了一种采用新型结构的高性能CMOS 带隙基准电压源, 基准电压的输出电压是一个随电源电压，温度以及工艺参数变化很小的稳定的输出直流值。主要是通过一个与温度系数成正比的电压与一个与温度系数成反比的电压之和，二者的温度系数相互抵消，实现与温度无关的电源基准；由于工艺参数会随着温度变化，所以通过正负温度系数实现抵消来达到基准与工艺无关。
实际上利用的不是带隙电压。现在有些Bandgap结构输出电压与带隙电压也不一致。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。产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。在大多数应用中，所要求的温度关系采取下面三中形式中的一种：
1）与绝对温度成正比；
2）常数Gm特性，也就是，一些晶体管的跨导保持常数；
3）与温度无关。
要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制，即如
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何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。由于在现实中半导体几乎没有与温度无关的参数，因此只有找到一些具有正温度系数和负温度系数的参数，通过合适的组合，可以得到与温度无关的量，且这些参数与电源无关。如上所述，产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。实现了低功耗带隙基准电路的版图，大大提高了电路的电源电压抑制比, 可得到高电源电压抑制比。
图2-2 带隙基准电压源电路结构截图
3 设计要点
3.1带隙基准的参数设计
在设计带隙基准源电路时, 会在电路中存在一个与电源无关的“简并”偏置点。在加上电源电压的情况下, 电路既可以稳定在每个管子都关断的零工作状态下, 也可以稳定在正常的工作状态下。由于电路可以稳定在以上两种工作状态的任何一种状态下, 因此, 需要一个启动电路来使电路摆脱每个管子都关断的零工作状态。
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。通过正负温度系数的权加，得到一个与温度无关的输出电压。
通过电阻R的电流为:I = V/R = V ref/R。即获得基准电流。从而在此基础上添加电阻，稍微修改可获得可调输出基准电压。由于Vref为带隙基准电路产生的基准电压，故具有良好的电源抑制能力。相对于典型电流基准中热电压VT
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固定的温度系数，Vref具有可调的负温度系数。只要Vref的负温度系数设置得当，充分抵消工艺中给定的电阻负温度系数，即可得到性能良好的电流基准，从而得到需要的基准电压。如果运放电路的增益足够高时，输出电压独立于电源电压。但当X
V等于零时，运放输入差动对会关断，因此电路会需要启动机制，V和Y
要在电路中增加启动电路。
为使得电路工作稳定且可靠性高，各MOS 管均工作在饱和状态。采用CSMC 0.6 um标准CMOS工艺，PMOS与NMOS管的阈值电压分别为-0.9V和0.77V。由于该工艺中大方块电阻的多晶硅电阻温度系数过大，我们采用温度系数稍小的n-well
电阻制作R1、R2。采用大的方块电阻阻制作大电阻有利于在减小面积的同时降低电路工作电流实现低功耗。
由于双极型晶体管EB结压降约为0.7V左右，若使用NMOS管作为输入管则容易造成MOS管不能工作在饱和区。因此采用PMOS管作为差分输入管、电流镜作负载的两级运放，为使电路工作稳定而采用NMOS 电容作为频率补偿。采用PMOS管作为输入管在获得良好的直流增益的同时还具有比NMOS管更好的1/f噪声声特性，并能提高电源抑制比。
3.2电路设计
在S-Edit程序中编辑振荡器，绘制出图3-1振荡器电路，重新命名并保存，在File中选择Export命令，自动输出成Spice文件。
图3-1 带隙电路图
4 仿真与测试结果
(1)在Tspice中将生成的spice文件打开，并在该文件中加入(1)电源语句，在文件中加入“vvdd Vdd Gnd 5.0”即完成电源输入语句。
(2)分析设定：振荡器的瞬时分析，必须下瞬时分析指令，将鼠标移至文件尾，选择Edit---Insert Command命令。打开T-Spice Command Tool对话框，在左边的列表框中选择Analysis选项，右边出现8个选项，可直接选取瞬时分析按
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钮Transient,也可展开左边列表框中的Analysis选项，并选择其中的Transient 选项，根据要求自主进行设定。
(3)输出设定：在此要观察的是输出节点Vc电压v (Vc) 对vin电压做图的模拟结果。将鼠标移至文件尾，选择Edit---Insert Command命令，在出现的对话框的左侧的列表框中选择Output选项，右边会出现7个选项，选择Output选项下的 results选项，在右边的Plot type下拉列表中选择Voltage选项，在Node name文本框中输入“Vout”，单击Add按钮，再单击Insert Command按钮，则会出现默认的以红色开头的“.print Vout”。
(4)加载包含文件：由于不同的流程有不同特性，在模拟之前，必须要引入MOS 组件的模拟文件，此模拟文件内有包括电容电阻系数等数据，以供T-Spice模拟之用。将鼠标移至主要电路之前，选择Edit---Insert Command命令，打开T-Spice Command Tool对话框，在左边的列表中选择Files选项。此时在右边窗口将出现4个按钮，可直接单击Include按钮，也可展开左侧列表中的Files选项，并选择Include file选项。选择 Include file选项之后，此时单击Browse按钮在目录窗口中先找到..\Tnnner\TSpice70\models\目录，接着选取模型文件
m12_125.md, 在Include file文本框中将出
现..\Tanner\TSpice70\models\ml2_l25.md文件。再单击Insert Command按钮，则会出现默认的以红色字开头的“.include `
C:\Tanner\TSpice70\models\m12_125.md’”。如图4-1。语句添加结束后，进行模拟，并会自动打开W-Editor窗口观看模拟波形图如图图4-2，图4-3。
图4-1 spice文件
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图4-2 vvdd2.7v后输出基本不随电压改变
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5结论
基于带隙基准原理, 设计了一种高性能低功耗CMOS 带隙基准电路。实验流片测试结果表明,该带隙基准电压源电路完全符合设计要求, 可以很好地应用于高精度比较器、A /D 和D /A 转换器等模拟集成电路中, 具有高精度、低功耗、较小的温度系数和较高的电源电压抑制比等特性。该电路具有广泛的应用前景。。仿真结果显示出电路具有良好的特性，适用于对功耗要求低、稳定度要求高的集成温度传感器电路中。
参考文献
[ 1] Widlar R. New developments in IC voltage regulators
[ J] . IEEE Sol Sta Circ , 1971 , 6
[ 2] Allen P E , Holberg D R. CMOS 集成电路设计[ M] .
第2 版. 北京:电子工业出版社, 2005.
[ 3] Tsividis Y P, Ulme r R W. A CMOS vo ltag e reference
[ J] . IEEE So l Sta Cir c, 1978 , 13.
[ 4] Tzanateas G, Salama C A T , Tsividis Y P. A CMOS
bandgap voltage reference [ J] . IEEE Sol Sta Circ ,
1979, 14.
[ 5] Kujik K E. A precision reference voltage source [ J] .
IEEE Sol Sta Circ , 1973, 8.
[ 6]《模拟CMOS集成电路设计》毕查德·拉扎维著，西安交通大学出版社，
2003年
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指导老师签字年月日