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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)/(exp 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 -=+exp 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 。
bandgap带隙基准源电路
带隙基准源电路是一种用于产生稳定的电压参考的电路。
在集成电路设计中，带隙基准源电路常用于提供稳定的参考电压，用于比较、校准和补偿其他电路的输出。
带隙基准源电路基于带隙参考电压。
带隙参考电压是一种与温度无关并且高度稳定的电压值。
这种电压通过利用半导体材料的物理特性来实现。
带隙基准源电路通常使用两个电流源和一个比较器来创建一个电压比较器，并通过反馈来调整电流源，以便产生恒定的参考电压。
带隙基准源电路的主要优点是其输出电压与温度无关，并且具有较高的精度和稳定性。
这使得它非常适合于需要高精度参考电压的应用，如模拟电路、传感器和ADC（模数转换器）等。
带隙基准源电路的设计可以根据具体的应用需求进行调整。
例如，可以通过改变电流源的大小来调整输出电压的大小，或者通过添加校准电路来提高输出电压的准确性。
总的来说，带隙基准源电路是一种重要的电路设计，它提供了稳定、精确和与温度无关的参考电压，可用于许多应用中。
本科毕业论文带隙基准电路的研究院 系：信息学院微电子系 专 业：微电子专业姓 名：吴夏妮学 号：0372489指导老师：唐长文摘要本文阐述了Banba和Leung两种基本带隙基准电压源电路的工作原理，分析了Leung 结构对于Banba结构改进的方法，分别对两个电路的参数进行了设计，并仿真其性能，由此来比较了它们各自的特点。
得到的结论是Banba结构的输出电压温度系数更小，而Leung 结构的最低电源电压可以降到1V左右，有益于向低电压设计的发展。
仿真采用SMIC 0.18um标准CMOS Spice工艺模型在Hspice中进行，两者的输出电压都在0.5V左右，温度系数在10e-5数量级，成品受到其他非理想因素的影响，温度系数会大一点。
由于时间和设备有限，暂时无法实现成成品，所以目前所有指标都是仿真理想值。
关键词——能隙源，低电压，温度无关ABSTRACTTwo bandgap circuits – a Banba one and a Leung one are presented in this work. It also includes the analysis of their working principles and the design of the perimeters, the simulation of their functions. At last, it compares their differences. The former one bears less temperature dependence and the later can lower the minimum supply voltage to about 1V, which could be used for low voltage design. This work is simulated by Hspice with the SMIC 0.18um technology. Both of the reference voltages generated are about 0.5V. Their temperature coefficient is about 10e-5, but the product after manufacture may be influenced by other imperfect aspects. Since the limits of time and devices, I have only got the last product of these circuits, so the results printed are all simulation results.Index Terms——Bandgap reference, low voltage, temperature independent目录第一章引言 (1)1.1研究背景与目的 (1)1.2主要工作 (1)1.3论文结构 (1)第二章带隙基准的基本原理与结构 (2)2.1工作原理 (2)2.2基本结构 (3)2.3本论文中采用的两种结构 (5)2.4最新研究成果 (5)第三章BANBA结构的设计 (6)3.1B ANBA结构的原理 (6)3.2B ANBA结构的参数设计 (7)3.3B ANDA结构的H SPICE仿真及优化 (11)第四章LEUNG结构的设计 (18)4.1L EUNG结构的原理 (18)4.2L EUNG参数设计 (20)4.3L EUNG结构的H SPICE仿真及优化 (21)第五章比较及改进想法 (25)5.1参数指标的比较 (25)5.2进一步比较与分析说明 (25)第六章总结 (27)6.1论文小结 (27)6.2应用与未来展望 (27)参考文献： (28)致谢 (29)第一章引言第一章 引言1.1研究背景与目的随着IC设计不断向深亚微米工艺发展，可制造的最小线宽也在不断减小，目前已经可以达到45nm。
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 。
带隙基准电压源的基本原理
及其应用
基本原理
带隙基准电压源是一种电源，其中一个调节因子可以调节其输出电压
的大小，从而达到一定的基准电压值。
它的工作电路是通过一个可调整芯
片和一个稳压晶体管组成的。
它能够提供准确的输出电压，例如1.2V、
2.5V、
3.3V等，但只要把调节芯片置于不同的位置，就可以产生出不同
电压。
应用
带隙基准电压源可以用在许多领域，例如，对于高精度的电源，可以
用来控制精确的电流，以及控制复杂的电子电路的正确工作。
此外，它也
可以用来控制变压芯片的输出，以便精确的调节电路的工作参数。
此外，带隙基准电压源还可以用于电子技术的计算机技术，因为它可
以精确的控制微处理器的工作，而且可以提供准确的输出电压。
这意味着
它可以提供精确和稳定的电压，而不用担心产生任何不精确和不稳定的电压，在发生系统故障时，减少系统崩溃的机会，从而保证系统的正常运行。
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。
本科毕业论文带隙基准电路的研究院 系：信息学院微电子系 专 业：微电子专业姓 名：吴夏妮学 号：0372489指导老师：唐长文摘要本文阐述了Banba和Leung两种基本带隙基准电压源电路的工作原理，分析了Leung 结构对于Banba结构改进的方法，分别对两个电路的参数进行了设计，并仿真其性能，由此来比较了它们各自的特点。
得到的结论是Banba结构的输出电压温度系数更小，而Leung 结构的最低电源电压可以降到1V左右，有益于向低电压设计的发展。
仿真采用SMIC 0.18um标准CMOS Spice工艺模型在Hspice中进行，两者的输出电压都在0.5V左右，温度系数在10e-5数量级，成品受到其他非理想因素的影响，温度系数会大一点。
由于时间和设备有限，暂时无法实现成成品，所以目前所有指标都是仿真理想值。
关键词——能隙源，低电压，温度无关ABSTRACTTwo bandgap circuits – a Banba one and a Leung one are presented in this work. It also includes the analysis of their working principles and the design of the perimeters, the simulation of their functions. At last, it compares their differences. The former one bears less temperature dependence and the later can lower the minimum supply voltage to about 1V, which could be used for low voltage design. This work is simulated by Hspice with the SMIC 0.18um technology. Both of the reference voltages generated are about 0.5V. Their temperature coefficient is about 10e-5, but the product after manufacture may be influenced by other imperfect aspects. Since the limits of time and devices, I have only got the last product of these circuits, so the results printed are all simulation results.Index Terms——Bandgap reference, low voltage, temperature independent目录第一章引言 (1)1.1研究背景与目的 (1)1.2主要工作 (1)1.3论文结构 (1)第二章带隙基准的基本原理与结构 (2)2.1工作原理 (2)2.2基本结构 (3)2.3本论文中采用的两种结构 (5)2.4最新研究成果 (5)第三章BANBA结构的设计 (6)3.1B ANBA结构的原理 (6)3.2B ANBA结构的参数设计 (7)3.3B ANDA结构的H SPICE仿真及优化 (11)第四章LEUNG结构的设计 (18)4.1L EUNG结构的原理 (18)4.2L EUNG参数设计 (20)4.3L EUNG结构的H SPICE仿真及优化 (21)第五章比较及改进想法 (25)5.1参数指标的比较 (25)5.2进一步比较与分析说明 (25)第六章总结 (27)6.1论文小结 (27)6.2应用与未来展望 (27)参考文献： (28)致谢 (29)第一章引言第一章 引言1.1研究背景与目的随着IC设计不断向深亚微米工艺发展，可制造的最小线宽也在不断减小，目前已经可以达到45nm。
但与此同时，小尺寸也给电路设计带来了新的变革。
为了得到高性能，低成本的电路芯片，一些常规的电路都要采用新的模型或结构重新进行设计，以保证在电压不断降低的情况下仍能正常工作。
本文所要研究的带隙源电路也受此影响。
基准源是模拟与数字系统中的核心模块之一，它被广泛应用于动态存储（DRAM）、闪存（flash memory）以及其他模拟器件中。
其实现方式有电流基准、电压基准等。
一个好的基准源需要有稳定的工艺、电压和温度系数，并且不需要随着制造工艺的改变而改变，经过许多前人的研究与探索，利用“带隙”方法来实现与温度无关的电压源已经非常成熟，并且可以得到较好的结果。
“带隙”即半导体元素的能隙，通常用硅来实现。
目前，随着低压低功耗要求的增加，尤其是便携式设备，如手机、PDA、笔记本电脑等，也对带隙电路提出了新的要求，因为传统的输出基准电压约为硅的带隙电压（1.25V），而如果电源本身低于1.25V的话，这种方法就不可能实现，必须对电路加以改进才能继续使用。
1.2主要工作本文从带隙基准的基本原理讲起，主要研究了两个比较经典的带隙结构[1][2]的实现方式，在此期间，我查阅了今年来许多关于此方面的资料，对研究现状有了较清楚地认识，并且在导师与师兄的帮助下，对电路的设计方法和测试方法进一步掌握，最终设计出了满意的电路指标，并对其中的两种进行了参数设计与仿真，分析它们的区别。
1.3论文结构本文主要比较了两种主流带隙结构的性能。
论文安排如下：第二章介绍了带隙基准的基本原理。
第三、四章分别仔细分析了两种带隙结构的原理、参数设计方法及仿真指标。
第五章中比较了上述两者的性能，分析产生区别的原因，并提出一些改进的想法。
第六章作了总结并提出了一些未来可以继续深入研究的方向。
第二章 带隙基准的基本原理与结构2.1 工作原理[3]为了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电压与具有正温度系数的电压相加，它们的结果就能够去除温度的影响，实现接近0温度系数的工作电压（zeroTC ）。
用数学方法表示可以为：1122REF V V V αα=+，并且：12120V V T Tαα∂∂+=∂∂。
1）负温度系数的实现：通过对电路元件的了解可知，双极型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。
具体分析如下：集电极电流为：exp(/)C S BE T I I V V = 其中S I 为饱和电流，/0.026T V kT q V =≈。
⇒ ln(/)BE T C S V V I I =(2.0) ln()BE T C T SS S V V I V I T TI I T ∂∂∂=−∂∂∂(2.1)根据半导体物理知识可知：4exp()gm S E I bT kT+=−其中b 为比例系数，3/2m ≈−，Eg 为硅的带隙能量 1.12eV ≈。
⇒ 342(4)exp()(exp )()S g g gm m I E E E b m T bT T kT kT kT ++∂−−=++∂(2.2) 又因为: ln()C BES T I V I V =(2.3) T TV k V T q T∂==∂(2.4) 将式(2.2), (2.3), ( 2.4)代入(2.1)，化简可得：(4)/BE BE T g V V m V E qTT ∂−+−=∂ (2.5)BE V 通常小于gE q ，所以BE V 与T 负相关，从上式中也可以知道，BE V 随温度变化关系与自身有关。
2）正温度系数的实现：若两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压差值就与绝对温度成正比。
如图2.1所示：图2.1 正温度系数的产生电路12lnln ln BE BE BE T T T I I V V V V V V n Is nIsΔ=−=−= (2.6) 因此，BE V Δ可实现正温度系数：ln BE TV V n T T∂Δ=∂ (2.7) 当T=300K 时，0.086ln BEV m n T ∂Δ≈⋅∂n 可以由许多三极管并联来实现。
3）通过正温度系数和负温度系数的叠加可以消除整个电路的温度系数，具体方法见2.2中的基本结构。
2.2 基本结构利用放大器两个输入端的电压相近就可以很方便得将正负温度系数特性结合起来，如图2.2：图2.2 基本带隙电压源产生电路I由放大器输入端“虚断”可得：2232233()(Y Zout BE BE V V V V I R R V R R R −=++=++） （此处放大器开环增益足够大）22322333(()X Z BEX Y out BE BE V V V V V V V R R V R R R R −Δ=⇒=++++∵）=由式(2.6，2.7)可得：2233ln ()T BE out V nV V R R R ++= (2.8) 2233ln out BE T V V V R R n T T T R ∂∂+=+∂∂ (2.9) 2BE V T ∂∂可由式(2.5)计算，若适当地选择n 与2R 、3R 的值，可以使0outV T∂=∂，此时可近似认为输出电压与温度无关。
事实上，由于BEV T∂∂本身与温度有一定关系，所以实际得到的电压仅在预设温度邻近区域内才能看作与温度无关，其他温度下仍有一定影响（已经远小于没有温度系数抵消时的情况）。
另一种常用连接方式：XY图2.3 基本带隙电压源产生电路II223Y Zref Y Y V V V V IR V R R −=+=+X Y V V =22211333ln X Z ref X BE BE BE T V V R R V V R V V V V n R R R −⇒=+=+Δ=+ (2.10) 123ln ref BE T V V V R n T T T R ∂∂=+∂∂ (2.11) 与上一个结构的结果类似，也能通过n 与电阻的选择来抵消温度系数，实现与温度相关性较小的输出参考电压。
2.3 本论文中采用的两种结构图2.4 Banba结构带隙基准 图2.5 Leung结构带隙基准 从这两张图中可以明显地看出两个电路在带隙部分的区别，图2.5将电阻的分压接到放大器的输入端，而图2.4没有采用分压；另外两个电路的放大器部分也有所不同，图2.5的放大器采用了低电压设计，具体的结构将在之后的两章中分析。
图2.4是Hironori Banba等在1999年发表于JSSC上的，以下都简称Banba结构；图2.5是Ka Nang Leung等在Banba 结构上作了一定的改进，降低了可工作的最低电源电压，于2002年发表于JSSC，以下都简称Leung结构。
