应用于C-V转换电路的低温度系数带隙基准源设计

低功耗带隙基准电压源电路设计蒋本福【摘要】文章提出一种三层self-cascode管子工作在亚阈值区的低功耗带隙基准电压源电路.该电路具有电路结构简单、功耗低、温度系数小、线性度小和面积小等特点.采用CSMC 0.18μm的标准CMOS工艺,华大九天Aether软件验证平台进行仿真.仿真结果表明,在tt工艺角下电路的启动时间为6.64μs,稳定输出的基准电压Vref为567 mV;当温度在-40℃~125℃范围内时,tt工艺角下基准电压Vref的温度系数TC为18.8 ppm/℃;电源电压在1.2 V~1.8 V范围内时,tt工艺角下基准电压Vref的线性度为2620 ppm/V;在10 Hz~1 kHz带宽范围内,tt工艺角下基准电压Vref的电源抑制比(PSRR)为51 dB;版图核心面积为0.00195 mm2.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2017(036)003【总页数】3页(P39-41)【关键词】Aether软件;功耗;温度系数;线性度;面积【作者】蒋本福【作者单位】吉林大学珠海学院,广东珠海519000【正文语种】中文【中图分类】TN432在模拟IC和混合IC中，带隙基准电压是不可缺少的电路模块。

传统的低压、低功耗带隙基准电路是基于垂直双极晶体管，在文献[1-2]中分别提出了多种设计方法。

然而，这些方法都需要几百兆欧姆的电阻实现低功耗运行，占用较大芯片面积，浪费资源。

参考文献[3]也提出了由几个工作在亚阈值区的MOS管组成的电路，虽然保证了低功耗，但是也出现了温度补偿不够等问题。

为了实现低温漂带隙基准电压电路，高阶温度补偿技术[5]必须得到广泛应用，以减小带隙电压的温度系数。

因此本文提出在低功耗的带隙基准基础上增加高阶温度补偿电路来实现低温漂基准电压电路。

电路原理图如图1所示，主要由启动电路[4]、电流产生电路[5]和self-cascode[4-5]自偏置电路三部分组成。

帯隙基准电路设计（东南大学集成电路学院）一.基准电压源概述基准电压源(Reference V oltage)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度的参考电压源，它是模拟和数字电路中的核心模块之一，在DC/DC ，ADC ，DAC 以及DRAM 等集成电路设计中有广泛的应用。

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。

模拟电路使用基准源，是为了得到与电源无关的偏置，或是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。

在CMOS 技术中基准产生的设计，着重于公认的“帯隙”技术，它可以实现高电源抑制比和低温度系数，因此成为目前各种基准电压源电路中性能最佳、应用最广泛的电路。

基于CMOS 的帯隙基准电路的设计可以有多种电路结构实现。

常用的包括Banba 和Leung 结构带薪基准电压源电路。

在综合考虑各方面性能需求后，本文采用的是Banba 结构进行设计，该结构具有功耗低、温度系数小、PSRR 高的特点，最后使用Candence 软件进行仿真调试。

二.帯隙基准电路原理与结构1.工作原理带隙基准电压源的设计原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压和温度无关的特性，通过将两个具有相反温度系数的电压进行线性组合来得到零温度系数的电压。

用数学方法表示可以为：2211V V V REF αα+=，且02211=∂∂+∂∂T V T V αα。

1).负温度系数的实现根据双极性晶体管的器件特性可知，双极型晶体管的基极-发射极电压BE V 具有负温度系数。

推导如下：对于一个双极性器件，其集电极电流)/(ex p T BE S C V V I I =，其中q kT V T /=，约为0.026V ，S I 为饱和电流。

根据集电极电流公式，得到：SC T BE I I V V ln= (2.1) 为了简化分析，假设C I 保持不变，这样： TI I V I I T V T V S S T S C T BE ∂∂-∂∂=∂∂ln (2.2) 根据半导体物理知识可知：kT E bT I gm S -=+ex p 4 (2.3)其中b 为比例系数，m ≈−3/2，Eg 为硅的带隙能量，约为1.12eV 。

带隙基准源原理简介带隙基准源原理简介1.1基准电压源的⼏项主要性能指标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。

因此，基准的设计就是要解决以下两个问题：与电源⽆关的偏置和温度关系的确定。

利⽤正温度系数电压和负温度系数电压，我们可以可以设计出⼀个令⼈满意的零温度系数的基准，这就是带隙基准电压源。

下⾯我们来介绍基准电压源的⼏项主要性能指标。

1.1.1温度系数温度系数(Temperature Coefficient,单位ppm/oC)是基准电压源在整个扫描的⼯作温度范围内，输出电压的最⼤值和最⼩值的差值，相对于正常输出电压的变化。

温度系数表征基准电压源电路受温度变化影响的⼤⼩，性能优异的基准源电路设计具有⾮常⼩的温度系数。

温度的变化⽽引起输出电压的变化，其单位表⽰为ppm/oC，计算公式如下所⽰：（2-1）1.1.2电源抑制⽐电源抑制⽐(PSRR：Power supply Rejeetion Ratio，单位：分贝或dB)在⼩信号情况下，基准电压源的输出变化量与电源电压的变化量之⽐。

基准电压源电路的输出电压,既要受到环境温度的影响，⽽且还要受到电源电压噪声的影响。

所以性能优良的基准电压源电路，能够很好的抑制电源电压对于电路的影响。

1.1.3线性调整率在直流状态下，电源电压的波动对于基准源的影响程度。

其公式为：（2-2）1.1.4建⽴时间从电源上电到基准源输出达到正常输出电压的那段时间。

1.2传统带隙基准源的基本原理和结构1.1.1 概述基准源在集成电路设计中是极其重要的基本单元电路，然后在不同的应⽤电路中经常需要设计不同的基准源。

⽐如传统的带隙基准源电路，具有较低的温度系数、较低的电源电压以及可以与标准CMOS⼯艺兼容等等特点,成为⼀种⼴泛使⽤的典型基准源电路模块。

设计基准电路的⽬的是为了建⽴⼀个与电源和⼯艺都⽆关，⽽且具有确定温度特性的电流或电压。

由于许多⼯艺参数要随温度的改变⽽改变，所以如果所设计的基准源与温度没有关系的话，那么它与⼯艺也是没有关系的。

一种低温度系数带隙基准源设计马哲;王沦【摘要】The effect,caused by the input offset of the operational amplifier,can be reduced by the utilization of two bipolar in series in bandgap references.But in CMOS process,the forward beta is so small that the current of base has a significant effect on the collector current,which leads to a large drift for the reference voltage.To solve this problem,a base current compensating technique is proposed in a low temperature coefficient bandgap reference.The circuit adopts TSMC 0.25μm pro cess,the simulation results show that the temperature coefficient is 8.44ppm/℃,the reference drift 1.85mV within -55℃ to 125℃.The current of the power only increases 0.5 μA after adopting base current compensation circuit.%采用两个三级管基极－发射极串联的带隙基准可以降低运放失调电压的影响，但是在CMOS 工艺中，三级管的正向电流放大倍数β很小，导致三极管基极电流的分流会对发射极电流产生很大影响，带隙基准输出存在较大温漂。

低温度系数低功耗带隙基准的设计吴庆;李富华;黄君山;侯汇宇【摘要】对带隙基准电压源的温度系数和功耗进行了分析研究,采用与绝对温度成正比(PTAT)的电流和与绝对温度互补(CTAT)的电流加权和技术,同时采用放大器工作在亚阈值区技术及运放失调补偿技术,基于0.4 μm的CMOS工艺设计了一个低温度系数、低功耗的基准电压电路.通过电源电压、工作温度及工艺角对基准电压影响的仿真,结果表明该带隙基准源典型的温度系数为2×10-6/℃,功耗为5.472 μW,基准电压为1.32 V,电源抑制比为83.5 dB,实现了低温度系数、低功耗特性,且电路工作稳定.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2019(019)006【总页数】4页(P25-28)【关键词】带隙基准电压;PTAT电流;CTAT电流;温度系数【作者】吴庆;李富华;黄君山;侯汇宇【作者单位】苏州大学,江苏苏州215000;苏州大学,江苏苏州215000;格美芯微电子有限公司,江苏苏州215000;格美芯微电子有限公司,江苏苏州215000【正文语种】中文【中图分类】TN4021 引言带隙基准的作用就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[1]。

换句话说理想的基准电压与压力、体积、温度无关。

随着便携式电子产品需求日益增加，电路对带隙基准的精确性、稳定性、低功耗以及低温度系数变得愈发重要。

为了降低温度系数，文献[2]采用了PTAT2 电流补偿技术，实现了温度系数2×10-6/℃、功耗620 μW 的基准源。

为了降低功耗，文献[3]采用了二阶温度补偿和电流反馈技术，其功耗为44.2 μW，温度系数为13.3×10-6/℃。

文献[4]采用共源共栅电流镜来减少输出电压对电源电压依赖的技术，温度系数为2.56×10-6/℃、功耗为2.8 μW，但该电路的结构复杂且受到比较多的工艺限制。

为了降低温度系数和功耗，本文在传统的带隙基准原理[1]上加以改进，根据0.4 μm CMOS 工艺传感器设计的实际需要，基于与绝对温度成正比（PTAT）的电流和与绝对温度互补（CTAT）的电流加权和技术，同时采用放大器工作在亚阈值区技术及运放失调补偿技术，设计了一种结构简单、低温度系数、低功耗的新型基准电压电路。

一种高电源抑制比的CMOS带隙基准电压源设计【摘要】提出了一种用于温度传感器的高电源抑制比（PSRR）、低温度系数、低功耗的CMOS带隙基准电压源。

在传统CMOS带隙基准电压电路的基础上，增加了优化的电源抑制比增强电路，在带隙基准反馈环路中引入电源噪声，使上面电流镜的栅源电压保持恒定值，从而提高电源抑制比。

采用自偏置共源共栅电流镜，来实现匹配更好的与绝对温度成正比（PTAT）电流镜像。

采用华虹宏力0.13um FS13QPR CMOS工艺实现，使用HSPICE仿真。

仿真结果表明电路输出基准电压为1.2V，电源抑制比在1K Hz时达到90dB，在-40～100℃的温度范围内温度系数是10ppm/℃，在1.8～3.6V工作电压范围内的线调整率为0.5mV/V，工作电流43uA。

【关键词】带隙基准电压;电源抑制比;自偏置共源共栅电流镜;温度传感器引言带隙基准电压源（Bandgap V oltage Reference）具有与温度、电源电压和工艺变化几乎无关的突出优点，能够提供稳定的参考电压或参考电流，被广泛应用与集成温度传感器、比较器、A/D和D/A转换器、存储器以及其他模数混合系统集成芯片中，并且高性能基准电压源直接影响着电路的性能。

研究用CMOS 工艺实现的可集成于片上系统（SOC）的高精度带隙基准源显得尤为重要[1]。

对于高精度的温度传感器，从电源注入到带隙基准输出的噪声是各种噪声中最重要的噪声，会严重影响参考电压和温度传感器的与绝对温度成正比（PTAT）电压。

因此，设计高电源抑制比（PSRR）的带隙基准源满足其要求显得十分必要[2]。

本文先介绍了带隙基准源的基本原理，再基于等效小信号模型，对带隙基准源的电源抑制比做了详细的分析，进而提出了一个具有高电源抑制比、低温度系数、低功耗可用于温度传感器的带隙基准电压源。

1.带隙基准源电源抑制比分析利用与CMOS兼容工艺的纵向PNP晶体管和采用放大器负反馈实现的传统CMOS带隙基准电压如图1所示。

帯隙基准电路设计（东南大学集成电路学院）一.基准电压源概述基准电压源(Reference V oltage)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度的参考电压源，它是模拟和数字电路中的核心模块之一，在DC/DC ，ADC ，DAC 以及DRAM 等集成电路设计中有广泛的应用。

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。

模拟电路使用基准源，是为了得到与电源无关的偏置，或是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。

在CMOS 技术中基准产生的设计，着重于公认的“帯隙”技术，它可以实现高电源抑制比和低温度系数，因此成为目前各种基准电压源电路中性能最佳、应用最广泛的电路。

基于CMOS 的帯隙基准电路的设计可以有多种电路结构实现。

常用的包括Banba 和Leung 结构带薪基准电压源电路。

在综合考虑各方面性能需求后，本文采用的是Banba 结构进行设计，该结构具有功耗低、温度系数小、PSRR 高的特点，最后使用Candence 软件进行仿真调试。

二.帯隙基准电路原理与结构1.工作原理带隙基准电压源的设计原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压和温度无关的特性，通过将两个具有相反温度系数的电压进行线性组合来得到零温度系数的电压。

用数学方法表示可以为：2211V V V REF αα+=，且02211=∂∂+∂∂T V T V αα。

1).负温度系数的实现根据双极性晶体管的器件特性可知，双极型晶体管的基极-发射极电压BE V 具有负温度系数。

推导如下：对于一个双极性器件，其集电极电流)/(ex p T BE S C V V I I =，其中q kT V T /=，约为0.026V ，S I 为饱和电流。

根据集电极电流公式，得到：SC T BE I I V V ln= (2.1) 为了简化分析，假设C I 保持不变，这样： TI I V I I T V T V S S T S C T BE ∂∂-∂∂=∂∂ln (2.2) 根据半导体物理知识可知：kT E bT I gm S -=+ex p 4 (2.3)其中b 为比例系数，m ≈−3/2，Eg 为硅的带隙能量，约为1.12eV 。

一种低温度系数的带隙基准电压源设计张瑛;王剑;周洪敏【摘要】基准电压源是集成电路系统中的重要组成部分,其性能直接影响系统的稳定性和鲁棒性。

温度系数是基准电压源的重要性能指标之一,而高阶温度补偿技术是降低基准源温度系数的有效方法。

基于标准0.18μm CMOS工艺,设计了一种低温度系数的带隙基准电压源,采用电流模结构的带隙基准电路实现了低电源电压工作,并通过VBE线性化补偿技术实现了在低压下的高阶温度补偿。

所设计的 CMOS 带隙基准电压源在-40~125℃的范围内,温度系数为6.855 ppm/℃,低频时电源电压抑制比达到了-95 dB,而电源电压在0.6~1.8 V范围内变化时线性调整率仅为0.2%。

仿真实验结果表明,该电路结构能够有效提升带隙基准电压源的温度性能。

%The reference voltage source is an important part of the integrated circuit system,and it has a direct impact on the stability and robustness of the system. The temperature coefficient is one of the important performances of the reference voltage source,and the high-order temperature compensation technology is an effective way to reduce the temperature coefficient. A bandgap voltage reference with a low temperature coefficient is designed based on standard 0. 18μm Complementary Metal Oxide Semiconductor ( CMOS) process. The current mode structure is used to make the circuit working under the low power supply voltage,and the linear compensation technology is applied to complete the high order temperature compensation. The designed voltage reference gives a good low temperature coefficient of 6. 855 ppm/℃ in the temperature range from-40 to 125 degree,and provides a good PowerSupply Rejection Ratio (PSRR) of-95 dB in the low frequency band. The voltage linear regulation of the bandgap voltage reference is only 0. 2% while the supply voltage changes from 0. 6 V to 1. 8 V. The simulation results show that the circuit structure can improve the temperature performance of the bandgap refer-ence voltage source effectively.【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】5页(P150-153,160)【关键词】带隙基准;温度系数;电流模;电源电压抑制比【作者】张瑛;王剑;周洪敏【作者单位】南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京 210046;南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京 210046;南京邮电大学电子科学与工程学院，江苏南京 210046【正文语种】中文【中图分类】TN47基准电压源作为集成电路系统中的重要组成部分，其性能直接影响系统的稳定性和鲁棒性。

基于BiCMOS工艺可修调的高精度低温度系数带隙基准源设计王文建【摘要】设计了一种利用电阻比值校正一阶温度系数带隙基准电路的非线性温度特性来实现低温度系数的高精度低温度系数带隙基准源;同时设置了修调电路提高基准电压的输出精度.该带隙基准源采用0.8μm BiCMOS(Bipolar-CMOS)工艺进行流片,带隙基准电路所占面积大小为0.04 mm2.测试结果表明:在5 V电源电压下,在温度-40℃～125℃范围内,基准电压的温度系数为1.2×10-5/℃,基准电流的温度系数为3.77×10-4/℃;电源电压在4.0 V～7.0 V之间变化时,基准电压的变化量为0.4 mV,电源调整率为0.13 mV/V;基准电流的变化量为变化量约为0.02μA,电源调整率为6.7 nA/V.%A high precision low temperature coefficient bandgap reference is designed. The bandgap reference source corrects the non-linear temperature characteristic of the bandgap reference circuit of the first-order temperature coefficient by using the ratio of the resistance,so that the accuracy and the temperature coefficient of the reference voltage are greatly improved. The trimming circuit is also used to improve the output accuracy of the reference voltage. 0.8 μm BiCMOS( Bipolar-CMOS) process was used to fabricate the wafers. The bandgap reference circuit occupied 0.04 mm2. The results show that the temperature coefficient of the reference voltage is 1.2×10-5/℃ and the temperature coefficient of the reference current is 3.77×10-4/℃ in the temperature range of -40 ℃～125 ℃under the 5 V power supply voltage. When the power supply voltage changes between 4.0 V～7.0 V,the variation of the referencevoltage is 0. 4 mV and power supply regulation rate is 0. 13 mV/V, the variation of the reference current is about 0.02 μA and power supply regulation rate is 6.7 nA/V.【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2017(030)005【总页数】4页(P674-677)【关键词】温度传感器芯片;带隙基准;温度系数;电源调整率【作者】王文建【作者单位】浙江商业职业技术学院应用工程学院,杭州310053【正文语种】中文【中图分类】TN432温度传感器广泛应用于工业仪表、消费电子等领域[1-5],温度传感器芯片中需要高性能基准源,基准源提供的基准电压和基准电流直接影响温度传感器的精度和稳定性。

低压低温度系数带隙基准源的设计程亮;赵子龙;钟轶峰【摘要】基准源被广泛应用于数模转换器、锁相环等集成电路中,其输出电压的稳定性影响到整个系统的性能.采用高阶曲率补偿原理,设计了一种低压高精度带隙基准电压源.利用工作于亚阈值区的MOSFET栅源电压差所产生的非线性正温度系数电流来修正传统BJT带隙基准源的精度.使用CSMC 0.18 μm CMOS工艺进行设计,流片后测试结果表明,在1.2 V电源电压下室温27℃时输出基准电压812 mV;低频时,电源抑制比达到-89 dB.在-35℃到115℃的宽温度范围内,温度系数为4.1× 10-6/℃.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2019(042)002【总页数】5页(P281-285)【关键词】集成电路;带隙基准源;曲率补偿;温度系数【作者】程亮;赵子龙;钟轶峰【作者单位】山西经济管理干部学院,太原030024;重庆大学土木工程学院,重庆400045;山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆400045;重庆大学土木工程学院,重庆400045;山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆400045【正文语种】中文【中图分类】TN433带隙基准源是一种与电源电压、温度和半导体制造工艺无关,能提供稳定的电流或电压的集成电路[1]。

基准源广泛应用于各类数模混合集成电路中,为整个电路系统提供稳定的电压电流信号。

随着便携式消费类电子产品的普及和医疗电子设备的增长,对基准源的性能提出了更高的要求,低功耗和低温度系数成为目前基准源设计的一个重要方向。

文献[1-5]介绍了几种抑制电源电压影响和曲率补偿的技术。

Razavi在文献[1]中介绍的带隙基准源电路实现了一阶曲率补偿,文献[2]和文献[3]采用分段补偿方法实现了基准源的高阶曲率补偿,文献[4]利用电阻来实现高阶曲率补偿。

本文提出了一种新颖的高阶曲率补偿方法,把工作于亚阈值区的MOSFET产生的栅源电源差ΔVGS 叠加到传统的BJT基准源上来消除VBE非线性部分,实现基准电压的高精度。