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基准电流源设计

sub-1 V无参考电压的工艺补偿CMOS基准电流产生器

Siva Narendra, Daniel Klowden, and Vivek De

Microprocessor Research Laboratory, Intel Corporation, Hillsboro, O R, USA

摘要：

本文提出了一种不需要参考电压的sub-1V工艺补偿的MOS电流产生器的概念。这个理念的理论模型表明，这种电流源对栅极氧化层厚度和阈值电压等工艺参数敏感度较低。MOSFET的器件测试和电路模拟结果都显示了较低的工艺敏感度和较低的运行电压。

简介

之前发表的关于参考电流的工作基本可以归于一下三类：i带隙电压到基准电流的转化ii基于MOSFET的基准电压到基准电流的转化iii使用MOSFET晶体管的直接基准电流产生器。

第一类需要带隙电压发生器和一个片外电阻。片外电阻不仅增加了系统成本也限制了基准电流电路的使用。即使是最好的带隙电压产生电路也不能在达到sub-0.7V的CMOS工艺电压源下很好的工作。第二类电路通过基于MOSFET的基准电压代替带隙电压解决了电压缩放的问题。但是从式（1）可以看出基于MOSFET的基准电压器件在0K时会产生阈值电压，因此它并不能真正的不依赖与工艺参数。另外，这些电路仍然要使用片外电阻。尽管已经有人提出了用较少的电阻实现电压到电流的转换【5】，但是与电压电流转换相关的问题仍然存在。

直接使用MOSFET产生基准电流的第三类电路解决了与电压缩放和应用灵活性相关的问题。【6】中讨论的就是这样一个例子，它的一个带正温度系数负温度系数的电流与一个带负温度系数的电流相加。这个电路提供了对温度变化不灵敏的电流，但是对工艺参数的变化仍然是灵敏的。当有效栅极氧化层厚度接近3.5nm以下时，必然能够得到对氧化层厚度变化不敏感的MOSFET基准电流电路。本论文我们提出了一种CMOS基准电流概念。这种基准电流电路存在于深亚微米MOSFET器件，并着重于解决电压缩放、成本、应用灵活性和工艺参数变化等问题。

工艺补偿理论及其模型

工艺补偿电流的想法是采用两个MOSFET的饱和电流I1和I2,取其自然变量，并除去两个电流差异部分的变量，即I ref=I1-I2。我们使用长沟道，大宽度的MOSFET器件来减少侧向尺寸带来的工艺影响。公式（2）、（3）给出了饱和电流I1和I2。假设器件产生的I1和I2有合适的电路匹配。

可能会影响I1和I2电流幅度的工艺参数为β和Vt。公式（4）、（5）给出了MOSFET工作在饱和区时，I1和I2随着工艺的变化，并忽略流动对掺杂的影响。为了得到不取零的工艺补偿电流Iref，电路参数中必须使得一个电流的dβ/dp那一项，被另一个电流的dV t/dp项抵消，这样dI ref/dp=dI1/dp-dI2/dp=0,但是I ref= I1-I2不为零。公式（6）、（7）、（8）给出了取到所需的I ref 的充分必要条件。表1给出了能满足公式（6）-（8）的电路参数a、b和z1/z2。

器件测量结果

长沟道器件测量是在30℃下，0.18微米技术下的单片晶圆上实现的。我们测量了一个用0.9V 电压驱动的无工艺补偿的二极管连接器件电流I u作为一个实验对照组，用图1表示。结果显示在这种无补偿的器件中电流正常变化量(σ/μ)为15%。

通过预先测量Vt，公式（6）中要求的I1和I2的门电压就能计算出来。图2说明了当a=2，b=5时，随着z1/z2的变化，Iref中的变化量(σ/μ)的情况。测量结果清楚的现实，I ref的变化量比无补偿情况下小很多。按照理论预测，最佳的工艺补偿发生在z1/z2=1/8的时候。图3 给出了当a=2，b=5，z1/z2=1/8时Iref的静态分布。在单晶硅片上I ref的正常变化量为5.7%。

电路模拟结果

我们同时还在做了电路模拟来预测工艺补偿带来的改善。在a=2，b=5情况下的工艺补偿电路用图4表示。图4中模块A是产生aV t和bV t的电路。由于不可能准确的得到Vt,基准电流的器件尺寸比z1/z2可能还需要优化。图5 给出了在V dd为0.9V，30℃时的I ref补偿结果。结果显示无工艺补偿时电流I u变化量为0.48，而I ref变化量为0.05，变化量有显著的减小。其中需要指出的很重要一点是，为了电路能在sub-1V电源下运行，需要给V t产生电路留出足够的储备空间，尤其是当b=5的时候。在长沟道下，V t~100mV,我们能成功的在V dd为0.9V下产生合乎要求的I ref。

结论

我们得到了对工艺参数有低敏感度的可用于sub-1V电源下工作的CMOS工艺补偿基准电流

产生器。器件测量和电路模拟结果显示了，工艺补偿基准电流相比于没有工艺补偿的基准电流对于工艺参数的灵敏度有很大的降低。

参考文献，以及相关公式和图标：

带隙基准电压源的设计

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

带隙基准电压源设计解析

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

一种用于高速高精度ADC的电压基准源设计

0引言随着集成电路规模不断扩大，尤其是芯片系统集成技术的提出，对模拟集成电路基本模块(如A／D、D／A转换器、滤波器以及锁相环等电路)提出了更高的精度和速度要求，这也就意味着系统对其中的基准源模块提出了更高的要求。用于高速高精度A DC的片内电压基准源不仅要满足A DC精度和采样速率的要求，并应具有较低的温度系数和较高的电源抑制比，此外，随着低功耗和便携的要求，A DC也在朝着低压方向发展，相应的基准源也要满足低电源电压的要求。本文分析了基准源对流水线A DC精度的影响，并建立了相应的模型，确定了高速高精度A DC对电压基准源的性能要求。给出了基于1.8 V的低电源电压，并采用结构简单的VBE非线性二阶补偿带隙基准源的核心电路，该补偿方式可以实现较低的温度系数，能满足高速高精度A DC的要求。箝位运放采用一种低噪声两级运算放大器，该运放可提供小于0.02 mV 的失调电压，因而保证了基准源的补偿精度。为了提高基准源的电源抑制比，本文除采用常用的共源共栅电流镜技术以外，还设计了一种简单有效的电源抑制比提高电路，从而使得基准源的电源抑制比有了较大提高。 1 电压基准源影响的建模分析在Pipelined A DC系统中，基准源的主要作用是为子A DC提供比较电平，同时为MD A C提供残差电压。差分基准电压源发生偏移会导致子A DC比较电平和MDA C残差电压发生变化。而通过引入冗余位矫正技术可大大减小差分基准电压源所引起的比较电平变化对系统指标造成的影响，但是，MDA C残差电压变化的影响却无法消除，系统的转移特性曲线仍将会发生变化，从而造成系统指标下降。其中基准电压源的偏移主要来源于温度和电源电压的影响。下面分析基准电压源温度漂移特性对DNL的影响。一般情况下，实际相邻输出与理想相邻输出之间的偏差可以表示为：对于首级精度为3.5位的12位A DC，在-40℃～85℃的温度范围内，对温度要求最严格的比较器一般要求基准电压源的最大温漂不超过(7／8)V diff。根据下列两式：可以得到DNL对基准电压源温度系数的要求，即温度系数T C≤6.84 ppm／℃。式中，V T0为室温25℃时的基准电压值。

带隙基准源的设计

《模拟CMOS集成电路设计》---与电源无关的电流源课程设计院系：电子与信息工程学院专业：电子09-2 姓名：王艳强学号：0906040221 指导教师：李书艳

摘要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。而与温度关系很小的电压基准被证实在许多模拟电路中是必不可少的。值得注意的是，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。采用Hspice软件进行仿真，仿真结果证明了基准源具有低温度系数和高电源抑制比。关键词：CMOS集成电路；带隙基准；偏置；温度系数；仿真；工艺综述我们所使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的”基准电流，如果忽略一些管子的沟道长度调制效应时电流就可以保持与电源电压无关。电压基准源是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。另外，电压基准源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源。微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型/HBT、MESFET/HEMT、CMOS和BiCMOS四大类型。其中，双极型工艺是集成电路中最早成熟的工艺，CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，已经逐渐发展成为当代VLSI（超大规模集成电路）工艺的主流工艺技术。双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低。BiCMOS技术增强了在CMOS技术提供的双极型晶体管的性能，这使其在模拟电路设计中具有潜力。由于CMOS工艺中“按比例缩小理论”的不断发展，器件尺寸按比例缩小使得CMOS电路的工作速度得到不断地提高，在模拟集成电路的设计中CMOS技术逐渐可以与双极型技术抗衡。近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术以其得到飞速的发展，片上系统已经受到学术界及工业界广泛关注。由于SOC要求很高的集成度，而CMOS工艺的特点正好符合了这种需求，因此，用CMOS技术来设计电路越来越成为集成电路的发展趋势。设计过程 1 电路结构设计 1.1 启动电路设计为了避免基准源工作在不必要的零点上，我们设计了启动电路

小功率电流源设计设计;

毕业论文（设计）论文题目：小功率电流源设计学生姓名：学号：所在院系：电气信息工程学院专业名称：自动化届次：指导教师：

淮南师范学院本科毕业论文（设计）诚信承诺书 1.本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计），题目《》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容； 2.毕业论文（设计）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已注释说明来源；矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 3. 毕业论文（设计）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况； 4.本人已被告知并清楚：学院对毕业论文（设计）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业论文（设计）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 5.若在省教育厅、学院组织的毕业论文（设计）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学院按有关规定给予的处理，并承担相应责任。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。学生（签名）：日期：年月日

目录 1绪论..................................................... 2酽锕极額閉镇桧猪訣锥。 1.1课题研究的背景与意义 ................................. 2彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。 1.2课题研究的国内外现状 ................................. 2謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。 1.3课题研究的主要内容 ................................... 3厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2系统方案制定............................................. 3茕桢广鳓鯡选块网羈泪。 2.1方案提出............................................. 3鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 2.2方案的比较与选择..................................... 5籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。 3 系统硬件部分设计......................................... 5預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。 3.1系统整体设计思路 ..................................... 5渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。 3.2控制电路设计 ......................................... 6铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。 3.3D/A转换电路设计...................................... 8擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。 3.4恒流源电路设计....................................... 9贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。 3.5键盘电路设计........................................ 10坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。 3.6显示电路设计 ....................................... 11蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。 3.7稳压电源设计........................................ 12買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。 3.8系统整体电路图...................................... 13綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。 4 系统软件设计............................................ 14驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。 4.1系统流程图设计...................................... 14猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。 4.2系统仿真与调试...................................... 18锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 5 总结.................................................... 20構氽頑黉碩饨荠龈话骛。 5.1设计小结............................................ 20輒峄陽檉簖疖網儂號泶。 5.2收获体会............................................ 20尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。 5.3展望................................................ 21识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。

带隙基准学习笔记

带隙基准设计 A.指标设定该带隙基准将用于给LDO提供基准电压，LDO的电源电压变化范围为1.4V到3.3V，所以带隙基准的电源电压变化范围与 LDO的相同。LDO的PSR要受到带隙基准PSR的影响，故设计的带隙基准要有高的PSR。由于LDO是用于给数字电路提供电源，所以对噪声要求不是很高。下表该带隙基准的指标。电源电压1.4V~3.3V 输出电压0.4V 温度系数35ppm/℃ PSR@DC，@1MHz-80dB，-20dB 积分噪声电压（1Hz~100kHz）<1mV 功耗<25uA 线性调整率<0.01%

B.拓扑结构的选择上图是传统结构的带隙基准，假设M 1~M尺寸相同，那么输 3 出电压为 R 2 V REF VlnNV BE T3 R 1 V是负温度系数，对温度求导数，得到公式（Razavi， BE Page313）： V BE3BE3(4)Tg/ VmVE TT q 其中， 3 m。如果输出电压为零温度系数，那么： 2 V REF V BE 3 TT k q lnN R 2 R 1 得到： kV BE(4m)V T E g/ R 3 2 lnN qRT 1 q 带入： R

2 V REF VlnNV BE T3 R 1 得到：

E g V REF(4m)V T q 在27°温度下，输出电压等于1.185V，小于电源电压1.4V，可这个电路并不能工作在1.4V电源电压下，因为对于带隙基准里的运放来说，共模输入范围会受到电源电压限制，电源电压的最小值为： VDD min V BE VV 2GS_input_differential_pairover _drive_of_current_source 其中，V是三极管Q2的导通电压，V GS_input_differential_pair是运放差 BE2 分输入管对的栅源电压，V____是运放差分输入管对尾 overdriveofcurrentsource 电流源的过驱动电压。对于微安级别的电流，可以认为： V GS V TH 这里将差分输入对的体和源级短接以减小失配，同时阈值电压不会受到体效应的影响。假设差分对尾电流源的过驱动电压为 100mV，那么，电源电压的最小值为： VDD min V BE2V TH_input_differential_pair100mV 下表列出了smic.13工艺P33晶体管阈值电压和三极管的导通电压随Corner角和温度变化的情况： V-40°27°80° TH slow-826mV-755mV-699mV typical-730mV-660mV-604mV fast-637mV-567mV-510mV BJT的V-40°27°80° BE slow830mV720mV630mV typical840mV730mV640mV fast860mV750mV660mV 可以计算出在不同温度的Corner角下电源电压的最小值： VDD-40°27°80° min slow1.756V1.575V1.429V typical1.67V1.49V1.344V fast1.597V1.417V1.27V 可以看出，对于大部分情况，1.4V电源电压无法保证带隙基准中运放的正常工作，所以必须改进电路结构，使其可以工作在 1.4V电源电压下。

CMOS带隙基准源

2.3 带隙基准源的温度补偿方法由上一章可知，带隙基准电压源的一阶补偿技术主要是通过一个与热电压成比例的正温度系数电压VT 来抵消二极管基极-发射极电压VBE 的负温度系数。但是 VT 是温度T 的线性函数，VBE 是包含温度T 的高次项的复杂函数。文献[6]中对VBE 的温度特性进行了深入的分析，总结出VBE 的温度表达式为其中G V 是硅的带隙电压，η是硅迁移率的温度常数，r T 是参考温度。由于集电极电流I C 是与温度成正比的，因此一阶补偿的带隙基准电压V REF 可表示为：调整参数K 可使V REF 的温度系数达到最小。而式中G V 的温度特性由文献[7]中的最精确模型给出：其中a,b,c为根据经验在不同温度条件下给出的不同参数。由式（2-12）式（2-13）可知，V BE 是包含温度T 的高次项的复杂函数。因此，即使在一阶补偿下，基准电压仍会存在温度漂移现象，这是一阶补偿的固有现象，故在一定温度范围内采用一阶补偿不能达到所要求的温度系数范围，要获得高性能的带隙基准电压源，就必须使用各种曲率校正的方法来抑制V REF 的变化。近年来，为了在一阶补偿的基础上增加基准源的温度稳定性，产生了一些曲率校正的方法，例如文献[8]中提出了二阶温度补偿的方法、文献[9]中提出了V BE 线性化方法、文献[10]利用不同材料电阻的相异温度特性进行曲率校正、文献[11]中提出的指数温度补偿的方法等。下面将分别介绍这几种曲率校正的方法。 2.3.1 二阶曲率补偿基准没有经过二阶曲率补偿是由于忽略了V BE的高阶项，实际上V BE跟温度的关系式如式（2-14）所示：其中，V G0是半导体材料在绝对零度时的带隙基准电压;q 是一个电子电荷;n 是工艺常数;k 是波尔兹曼常数;T 是绝对温度; I C 是集电极电流;V BE0是温度在T0 时基极-发射极电压。由此看见V BE 的高阶项并不为零，因此一阶补偿的基准并不能真正使得基准的输出电压与温度T 无关，而是一条近似的抛物线，温度对输出的影响一般在20 ~ 30×10?6 /℃右，幅度大约为3~5mV。这在对基准温度特性要求不高的应用中能够满足要求，但对于高精度要求的场合，就需要对该曲线进

一种高精度的电流源设计

第九届ICEMI国际电子测量与仪器会议ICEMI'2009 一种高精度电流源的设计于鹏王彦超夏少军哈尔滨工业大学 92号西大直街哈尔滨，150001，中国电子邮箱：摘要——电流源是电气测量和控制系统的关键部件之一。然而，由温度漂移和其它干扰引入的噪声，使其成为系统误差的重要来源。为了制定一个精度高、稳定性好的电流源，本文提出一种基于Howland的电压电流转换（V/I）电路。电流源所使用的DSP RS-232接口是完全可编程的。此外，还有一个采样电路，利用抽样结果，使校准进一步减少电流源输出误差。实验结果表明，在140欧姆的恒定负载下，电流输出范围为-50mA至50mA，误差小于3 μA，并且具有较低的温度漂移和较小波形失真度。这为设计一种精确度高、输出电流变化范围稳定的电流源提供了一种有效的方法。关键词——电流源；Howland；校准一、引言随着科技的进步，精密的电流源在自动测试、测量以及各种应用中起着日益重要的作用。然而，要满足高精确的目标，然而，要满足高精度的目标，并且保持输出稳定，这一点随温度的升高而变得越来越困难。在所有的应用中，目前大部分测量领域中使用的精度高和输出稳定的电流源，都是电压控制型电流源（VCCS）。由于超精密运算放大器的运用，使得VCCS的电流输出精度高，且稳定。但是，电流源输出范围往往有限，而且由温度和非线性引入的误差也是一个很大的难题。图1显示的一个电路，它也被称为Howland模型，采用电阻匹配实现反馈回路，从而使负载两端电流输出稳定[3]。它采用了超精密运算放大器OP177生成精确和稳定的电流输出。尽管OP177在精确度性能方面远胜其它任何运算放大器，但其输出范围只局限于-22mA?32mA[4]。图1——Howland电流源为了更好地解决这一难题，精度高、宽范围和输出稳定的电流源的设计便自然而然的被提出来。由D / A模数转换器产生一个电压，然后将电压转换为电流。最后，通过检测输出电流，对输出进行校准。 V/I电路（电压转换成电流电路）对系统的设计是至关重要，然而，在图1电路，采用OP177提供超精密和稳定的电流输出，不能满足我们要求宽输出范围。在这种情

低电压带隙基准电压源设计

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。

基准电流源

华侨大学电子工程系
IC 工艺及版图设计
课程实验（六）
模拟电路单元版图布局（1）基准电流源
华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室 -2010-

IC 工艺及版图设计课程实验六
模拟电路单元版图布局-基准电流源
一、实验目的
1.掌握使用 Cadence Virtuoso XL 版图编辑软件进行模拟 IC 版图布局设计 2.掌握基准电流源电路版图布局 3.通过实验掌握最低精度度匹配（以下简称低度匹配）MOSFET 的布局方法
二、实验软件：
Cadence IC 5141 Virtuoso Layout XL
三、实验要求：
实验前请做好预习工作，实验后请做好练习，较熟练地使用 Virtuoso 软件对版图进行布局设计，通过实验逐渐掌握低度匹配 MOSFET 的布局方法。 IC 工艺及版图设计课程实验六教学任务模拟电路单元版图布局①基准电流源学时 2 专业能力：教学目标 1.熟练掌握版图编辑软件的使用 2.掌握低度匹配 MOSFET 的布局方法 3.掌握基准电流源电路的布局教学内容重点难点 1. 低度匹配 MOSFET 布局 2. 基准电流源电路版图布局设计低度匹配 MOSFET 版图布局低度匹配 MOSFET 版图布局
华侨大学电子工程系（The Department of Electronic Engineering Huaqiao University）1 华侨大学厦门专用集成电路系统重点实验室

第一部分实验演示部分
集成电路版图设计是一门技术，它需要设计者具有电路系统原理与工艺制造方面的基础知识。但是它更需要设计者的创造性、空间想象力和耐性，需要设计者长期工作的经验和知识的积累。然而集成电路版图设计不仅仅是一门技术，还是一门艺术。设计出一套符合设计规则的“正确”版图也许并不困难，但是要设计出最大程度体现高性能、低功耗、低成本、性能可靠的芯片版图却不是一朝一夕就能学会的事情。在设计 CMOS 芯片时，主要的目标是优化芯片尺寸和提高密集度。在模拟设计中，主要的目标不再是优化芯片尺寸，而是优化电路的性能、匹配程度、速度和各种方面的问题。例如。布线尺寸是否满足电流密度的要求？寄生效应是否太高？匹配技术是否恰当。当然，面积在某种程度上仍然是一个问题，但不再是压倒一切的问题，记住在模拟版图设计中，性能比尺寸更重要。在前两次实验中我们已经掌握了数字单元模块电路的布局方法，从本次实验开始我们将用 4 次实验的时间来练习模拟电路单元版图的布局方法。如前面所说，匹配是模拟 IC 版图设计中经常要考虑的问题，本次实验将通过基准电流源电路版图的布局练习，掌握低度匹配晶体管布局的方法。为了试验顺利进行请先在 Layout Editing 视窗中选择 Options-Display…查看显示分辨率是否是 0.1（或 0.05）。本次实验中有关电流源的知识可以参考《微电子器件与电路》课件中模拟集成电路部分第五章-基准电压源和电流源。
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带隙电压基准源的设计与分析

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。

柴吴尽 CMOS基准电流源

CMOS基准电流源设计摘要基准源是在电路系统中为其它功能模块提供高精度的电压基准，或由其转化为高精度电流基准，为其它功能模块提供精确、稳定的偏置的电路。它是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块。基准源输出的基准信号稳定，与电源电压、温度以及工艺的变化无关。带隙基准源是集成电路中的重要单元，输出不随温度、电源电压变化的基准电压或电流。简单介绍了CMOS带隙基准源的基本工作原理；指出了限制其性能的主要因素；分析了低电源电压、低功耗、高精度和高PSRR四种类型的CMOS带隙基准源。一款是应用于DAC的带隙基准电路。该基准电路的核心采用了PNP 晶体管串联来减小运放失调，运放采用的是具有高输入摆幅的折叠式共源共栅结构，偏置电路采用了低压共源共栅电流镜和自偏置低压共源共栅电流镜等结构来为整个基准电路提供偏置。本文基于SMIC 0.35μm工艺模型库，采用Hspice仿真工具对该基准电路进行仿真，仿真结果为：温度扫描从-40℃到100℃,基准源的温度系数为15.7ppm/℃；电源抑制比在1kHz时为75dB, 10kHz时仍有58dB。仿真结果表明，该基准电路完全能在DAC 系统中正常工作。关键词CMOS基准电流源；低功耗；温度系数

Research of CMOS Bangap Reference Source Abstract A voltage reference source provides high-precision voltage reference for other functional modules in the circuit system, or high-precision current reference can transformed from it. It is a very important module in the analog integrated circuits and mixed-signal integrated circuits design. The output signal of the voltage reference is stable,and it is independent of supply voltage, temperature and process. Bandgap reference source is an important unit in integrated circuits, which supplied reference voltage or current independent of temperature and supply voltage. The principle of CMOS bandgap reference source was described, and the design challenge was pointed out. Finally, CMOS bandgap reference sources with low supply voltage, low power, high precision and high PSRR were analyzed, respectively. The bandgap reference is used in the DAC. The core of the reference circuit used PNP transistors in series to reduce amplifier offset, and the amplifier used the folded cascode structure to get high input swing, and the bias circuit used the low-voltage cascode current mirror structure and the self-biased low-voltage cascode current mirror structure to bias the entire reference circuit. In the thesis, we simulated the reference circuit by using the Hspice simulation tool based on the SMIC 0.35μm process. The simulation results are that the temperature coefficient of the references is 15.7 ppm/℃when temperature scaned from -40℃to 100℃,and the power supply rejection ratio is 75 dB at 1kHz and there is still 58 dB at 10 kHz. The simulation results showed that the reference

带隙基准源电路和版图设计

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 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

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