带隙基准源电路与版图设计

无运放带隙基准电路设计
运放带隙基准电路（opamp bandgap reference circuit）是一种基于运放的电路，用于提供稳定的参考电压。

它的设计基于运放的放大特性和电压反馈机制，通过差分放大和反馈调整，产生一个相对稳定的参考电压。

下面是一种常见的运放带隙基准电路的设计：
1. 选择一个适当的运放芯片，具有低噪声、高增益和低温漂移等特性。

2. 将运放芯片的非反相输入端与反相输入端相连，形成一个差分输入。

3. 将一个稳定的参考电压Vref1与非反相输入端相连。

4. 将运放芯片的反相输入端与一个电阻R1相连，然后将R1与一个稳流二极管D1的阴极相连。

5. 通过调整R1的值，使得二极管D1的电流可以产生一个正向电压降，并且与稳定的参考电压Vref1相等。

6. 将运放芯片的输出端与R1与D1的连接处相连，形成一个反馈回路。

7. 调整运放芯片的反馈电阻R2的值，使得输出电压与稳定的参考电压Vref2相等。

通过以上设计，运放正向反馈的放大特性和电压反馈机制可以保证输出电压与参考电压的稳定性。

同时，稳定的参考电压Vref1的产生通过差分放大和反馈调整的方式可以减少温度、电源等参数的影响。

需要注意的是，具体的设计参数需要根据具体的应用要求来确定，比如参考电压的稳定性要求、输出电压的范围等。

同时，在实际设计过程中，还需要考虑电源稳定性、电路布局和滤波等因素，以确保设计的稳定性和可靠性。

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。

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 ReferenceSpecialty: MicroelectronicsName: Zhong Ting (Signature)＿＿＿＿Instructor: Liu Shulin (Signature)＿＿＿＿ABSTRACTThe 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目录1 绪论 (1)1.1 背景介绍及发展趋势 (1)1.2 研究意义 (3)1.3 本文主要工作 (4)2 基准电压源电路设计 (5)2.1 基准电压源的分类及特点 (5)2.2 基准电压源的温度特性 (7)2.2.1 负温度系数项V (7)BE2.2.2 正温度系数电压 (7)2.3 基本原理 (8)2.3.1 与温度无关的电路 (8)2.3.2.与电源无关的偏置电路 (8)2.4 基准电压源电路设计 (9)2.4.1 基本原理 (9)2.4.2 运放的设计 (10)2.4.3 带隙核心电路设计 (13)2.5 仿真分析 (14)3 版图设计 (19)3．1 版图设计的基础 (19)3.1.1 集成电路版图设计与掩膜版、制造工艺的关系 (19)3.1.2 版图设计的设计规则 (19)3.1.3 版图通用设计步骤 (22)3.2工艺介绍 (23)3.2.1 常见工艺简介 (23)3.2.2 BiCMOS工艺 (25)3.3 带隙基准电路的版图设计 (28)3.3.1 版图的分层及连接 (28)3.3.2 版图设计环境介绍 (29)3.3.3 器件及总体版图 (29)4 版图验证 (39)4.1 版图验证概述 (39)4.2 验证工具介绍 (38)4.2.1 Cadence概述 (38)4.2.2 Diva使用介绍 (39)4.3 版图的DRC验证 (43)4.4 版图的LVS验证 (43)5总结 (45)致谢 (48)参考文献 (49)1 绪论1.1 背景介绍及发展趋势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。

带隙基准参数设计基准源核心电路参数设计首先，考虑两个三极管发射极面积之比N的选取。

由上述公式可知：N值越大，则R2/R3的比例就越小，从而可以减小电阻的版图面积。

但是N值越大，也会导致三极管的静态电流增大。

折中选取N=8，这样版图可以采用中心对称布局，有利于减少匹配误差。

假设选取的工艺下的三极管的电流大于1uA时，V BE的输出曲线较为平滑。

从节省功耗的角度，假定流过三极管集电极的电流为1uA。

由上述公式可知，当N=8、IR3=1uA、T=300K时，计算得：考虑到R1和R2的数值数倍于R3，则电阻值太大，消耗版图面积太大。

因此，作为折中，选取R3为10K，电流值为5uA左右。

确定了以上参数后，考虑一阶补偿时R2的取值。

对上述公式在T0处求导可得：令上式为零，即进行一阶补偿，可得：化简得：代入参数，V G0=1.205V，查图可知V EB1在5uA的偏执电流下约为716mV，300K温度下V T0=26mV，r=3.2，a=1（三极管的偏置电流为PTA T），N=8，计算得：为了产生600mV的输出电压，需要调整R4的值。

由上式可以推出：在T=300K条件下代入各值，求得R4=48.5K。

考虑到各个电阻阻值偏大，故将各电阻设为高阻多晶型。

然而，高阻多晶虽然有很高的方阻，但是工艺稳定性不太好，故后期的Trimming 工序是必不可少的。

最后，确定电流镜的尺寸。

采用适当偏小的宽长比，可以提高电流镜的过驱动电压，进而可以减小电流镜阈值电压失配所带来的影响。

另外，沟道长度调制效应也是一个重要影响因素，考虑到低压应用不能使用Cascode结构，可以增大器件的栅长来减小沟道长度调制效应的影响。

但是过大的沟道长度会导致版图的面积的增加，需要在性能和版图面积之间做出折中。

经过计算与迭代仿真，选取M1、M2和M3的宽长比为10um/1um。

注意电流镜的版图设计中需采用中心对称布局以减小误差。

综上，通过理论分析，确定带隙核心电路的器件参数为：运算放大器设计运放的性能对带隙的性能有着直接的影响。

bandgap带隙基准源电路Bandgap带隙基准源电路是一种用于产生带隙基准电压的电路，它在模拟电路设计和集成电路设计中具有重要的作用。

带隙基准电压是一种与温度和电源电压无关的直流电压，它可以用于电路的偏置、ADC的基准、温度传感器等。

带隙基准源电路的设计原理是基于硅材料的带隙能量，它的带隙能量为1.12eV，对应于温度为273.15K。

带隙基准源电路的核心思想是将带隙能量转化为直流电压，并通过一定的放大和调节电路，得到温度和电源电压无关的基准电压。

带隙基准源电路的基本结构包括三个部分：偏置电路、带隙电压产生电路和放大电路。

其中，偏置电路用于产生一个与电源电压无关的直流电流，带隙电压产生电路用于将带隙能量转化为直流电压，并且放大电路用于调节带隙基准电压的大小和精度。

偏置电路通常采用一个PNP晶体管和一个电阻组成，PNP晶体管的基极-发射极电压作为偏置电压。

这个偏置电压具有负的温度系数，即随着温度的升高，它的值会减小。

为了使整个电路的温度系数为零，需要将这个偏置电压与一个具有正温度系数的电压进行补偿。

带隙电压产生电路通常采用两个晶体管和电阻组成，其中一个晶体管的基极-发射极电压作为带隙电压，另一个晶体管的基极-发射极电压具有正的温度系数。

通过调节两个晶体管的发射极电流比值，可以得到一个与温度无关的带隙电压。

放大电路用于调节带隙基准电压的大小和精度。

通常采用一个高精度、低噪声的放大器，将带隙基准电压进行放大和调节。

放大器的增益和带宽需要满足一定的要求，以确保带隙基准电压的精度和稳定性。

在实际应用中，带隙基准源电路还需要考虑一些其他的因素，如电源噪声、温度范围、功耗等。

为了实现高精度的带隙基准电压，需要采用一些优化设计方法，如低噪声电源、温度补偿技术、自偏置电路等。

在实际应用中，带隙基准源电路有着广泛的应用。

它可以用于各种类型的模拟电路和数字电路中，如运算放大器、比较器、ADC、DAC、PLL等。

它可以提供高精度的基准电压，帮助这些电路实现高精度、低噪声、稳定的性能。

带隙基准电路设计与仿真带隙基准电路是一种用于产生稳定电压参考的电路，它的工作原理是利用带隙参考电压源的稳定性，将其转换为稳定的输出电压。

在电子设备中，带隙基准电路被广泛应用于各种需要稳定参考电压的场合，如模拟电路中的比较器、放大器、ADC、DAC等。

1.确定设计指标和要求：首先需要确定带隙基准电路的设计指标和要求，包括输出电压的精度、波动、温漂等。

这些指标将直接影响到整个电路的设计和性能。

2.选择合适的带隙参考电压源：带隙参考电压源是带隙基准电路的核心部分，选择合适的电压源对于整个电路的性能至关重要。

常见的带隙参考电压源有基准二极管电压源、基准电流源和温度补偿电压源等。

3.设计和优化调整电路：调整电路用于校准输出电压，使其达到所需的精度，也可以用于调整输出电压的温度系数。

调整电路通常由运放、电阻网络和校准电压源等组成，通过合理选择和设计这些元件，可以优化整个电路的性能。

4.进行仿真和优化：在设计结束后，需要进行电路的仿真和优化。

通过仿真可以验证电路的性能，并进行参数调整和优化，以满足设计指标和要求。

5.制作原型并测试：在设计和仿真完成后，可以制作原型并进行测试。

测试结果将反馈给设计人员，并根据需要进行进一步的调整和优化。

设计带隙基准电路需要综合考虑电路的稳定性、精度、功耗和成本等因素。

在选择和设计电路元件时，可以采用一些常用的优化方法，如小信号模型分析、傅里叶级数分析、参数扫描等。

最后，需要注意的是，在设计带隙基准电路时，还应考虑一些特殊因素，如温度变化、噪声干扰、工作电流等影响电路性能的因素，并采取相应的补偿措施。

总之，带隙基准电路的设计与仿真是一个复杂的过程，需要综合考虑各种因素，通过合理的选择和设计来满足设计指标和要求。

带隙基准电路设计
嘿，朋友们！今天咱来聊聊带隙基准电路设计。

这玩意儿啊，就像是电路世界里的定海神针！
你想想看，在那复杂纷繁的电路海洋中，要是没有一个可靠的基准，那不就像船在大海上没了指南针，瞎转悠嘛！带隙基准电路就是那个能给其他电路指明方向、提供稳定参照的宝贝。

它就好比是一场比赛中的裁判，公正公平地给出标准，让其他电路元件能按部就班地工作。

要是没有它，那电路里还不得乱套呀！各种信号乱跑，功能都没法正常实现了。

设计带隙基准电路可不容易哦！得像个细心的工匠，一点一点地雕琢。

从选择合适的元件开始，这就跟挑食材做饭一样，得挑新鲜的、好的食材，才能做出美味的菜肴。

元件选不好，那后面可就难办咯！
然后呢，还得精心设计电路的布局，这可不是随便摆摆就行的。

就好像搭积木，得考虑怎么搭才最稳固、最合理。

每个元件的位置都有讲究，牵一发而动全身呐！
在调试的过程中，那可得有耐心。

有时候就像解谜一样，一点点地找问题，解决问题。

要是没耐心，那肯定不行呀！难道遇到点困难就打退堂鼓啦？那可不行！
而且啊，这带隙基准电路还得适应各种环境呢！就像人一样，得能经得住各种考验。

热了不行，冷了也不行，得始终保持稳定可靠。

你说它容易吗？
咱再想想，要是没有带隙基准电路，那些电子设备还能这么好用吗？手机说不定一会儿信号好，一会儿信号差；电脑可能会时不时地出故障。

哎呀，那可太糟糕了！
所以说呀，带隙基准电路设计真的太重要啦！咱可得重视起来，好好研究，把它设计得稳稳当当的。

让我们的电子世界因为它而更加精彩，更加可靠！这就是我对带隙基准电路设计的看法，你们觉得呢？。

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 。

750 引言电压基准是当今模拟集成电路设计中应用最为广泛的模块,广泛应用于LDO,数模/模数转换电路(Analog to digital/digital to analog convert circuit,AD/DA)等电路。

无论是哪种应用场景,均要求电压基准的输出电压具有不随电源电压变化,温度波动时输出电压变化小,输出电压不能受工艺影响的特点。

带隙基准结构最早提出于1971年,相较于其他结构,带隙结构的电压基准能够更好的满足现阶段LDO,AD/DA等模拟模块的应用需求,成为目前最常用的电压基准实现结构。

本文研究了基于TSMC 28nm HPC工艺下的带隙基准源的设计,该带隙基准将被应用在900mV的高精度LDO中,因此对其精确度有一定的要求。

1 带隙基准的设计带隙基准的一个重要性能指标是温度系数。

在双极性晶体管中,基射极电压与温度有着负的温度系数,而两个具有不同密度的双极性晶体管电压差有着正的温度系数。

利用正负温度系数的叠加,可以正好得出与温度不相关的电压。

这是带隙基准的基础。

本文提出的带隙基准是电流模式的带隙基准,其电路结构如图1所示。

从左到右,该带隙基准模块主要包括启动电路、自偏置电路、运算放大器、基准核心模块、缓冲器,同时还具有为下级模块提供基准电流的输出电流部分。

该带隙基准模块采用了自偏置的电路结构,当支路电流为零时,将出现基准核心模块无法启动的情况,称之为零状态。

零状态是任何自偏置电路结构都会遇到的,与工作状态相对立的状态,处于零状态下的偏置电路将失去价值。

为了保证带隙基准模块可以一直处于启动状态下,需要在支路电流为零时,为支出电流提供一个额外的扰动,将工作点推离该状态,进入正常的工作状态,因此该电路需要一个启动电路。

本文启动电路的主要实现方式是通过电容在电路使能信号或电源电压跳变时带来的抖动进行充放电过程,将偏置电路推离零状态。

在将偏置电路推离零状态后,该自启动电容将不再工作,且不会带来任何功耗。

BGR电路及版图设计一、基本概念The current or the voltage that is impedence with temperature and supply voltage，and also insensitivity with the fabrication process，is called as udge or current reference，usually knoun as PVT stablity 。

带隙基准直接来源于硅的能带隙，因此它能提供唯一的、其值约为1.2V的实际可用基准电压。

电流基准实际上并不存在，它由带隙电压基准和一到两个电阻的组合中得到。

1、温度补偿原理带隙基准直接来源于硅的能带隙，因此它能提供唯一的、其值约为1.2V的实际可用基准电压。

带隙基准电压使用了一个接成二极管形式的双极型晶体管，它的电流一电压表达式可用指数形式精确地给出。

一个实际的pn结在kT/q前可能有一个1.05～1.1的系数，但是接成二极管形式的双极型晶体管却没有对于恒定电流驱动，该二极管受温度影响非常大，约为—2mV/℃，我们想把该值降到1/1000以下。

为了实现上述目标，需要一个明确表示温度关系的电流表达式。

Vgo是绝对零度时的二极管电压，其值与温度相关。

二、原理、方式三、BGR电路结构总结：BGR电路结构分为VM电压模，以及CM电流模。

1.Cascode CM Biased BGR2.Operational Amplifier （op）Based BGR3.OP biased CM—BGR principe四、性能分析、改进五。

CR电路结构、V—I转换电压稳压器通过比例电阻相对于基准电压来锁定输出电压，实际上这是一个两级反馈放大器Vre为输入。

第一级为运放，第二级为源极跟随器，该跟随器依靠宽长比W/L向负载传输大电流。

图中负载未画出，它通常由电阻和电容组成，其变化范围很大，取决于从稳压器中获取的电流。