11 第十一章 带隙基准(1)

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 。

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M1~M尺寸相同，那么输3出电压为R2V REF VlnNV BET3R1V是负温度系数，对温度求导数，得到公式（Razavi，BEPage313）：V BE3BE3(4)Tg/VmVETTq其中，3m。

如果输出电压为零温度系数，那么：2V REF V BE3TTkqlnNR2R1得到：kV BE(4m)V T E g/R32lnNqRT1q带入：R2V REF VlnNV BET3R1 得到：EgV REF(4m)VTq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：VDDmin V BE VV2GS_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 VTH 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。

带隙基准是什么
经典的带隙基准是利用一个与温度成正比的电压与一个与温度成反比的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，约为1.25V。

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。

实际上利用的不是带隙电压。

现在有些带隙基准结构输出电压与带隙电压也不一致。

带隙基准的原理
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种形式中的一种：
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。

结束。

摘要基准电压源是模拟电路设计中广泛采用的一个关键的基本模块。

所谓基准电压源就是能提供高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，但是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。

本文的目的便是设计一种基于CMOS带隙基准电压源。

本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状及趋势。

然后详细介绍了MOS器件的基本原理、基准电压源电路原理，并对不同的带隙基准源结构进行了比较。

在带隙基准电压基准电路设计中，首先对所采用的h05mixddst02v13库中的阈值电压、沟道长度调制系数、跨导参数进行提取，对衬底pnp管的温度特性进行分析，再对电路中的各个管子的宽长比、电容、电阻值进行手动计算，最后通过Hspice软件对电路进行仿真验证。

模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性，0℃～100℃温度范围内，基准电压温度系数大约为0.25mV/℃，输出电压为1.0V。

关键词：MOS器件；带隙基准电压源；参数提取；温度系数；输出电压；AbstractThe reference voltage source is a vital basic module is widely used in analog circuit design. The reference voltage source is able to provide high stability reference amount of power, the reference source and power supply, process parameters and the temperature is very small, but its temperature stability and anti-noise performance affects the precision and performance of the whole system. The purpose of this paper is the design of a CMOS bandgap voltage reference based on.This paper first introduces the present situation and development trend of voltage reference at home and abroad. And then introduces the basic principle of MOS device, reference voltage source circuit principle, and the bandgap structure were compared with different. In the bandgap voltage reference circuit design, first on the threshold voltage, the h05mixddst02v13 Library of the channel length modulation coefficient, transconductance parameter extraction, analysis of temperature characteristics of a substrate of PNP pipe, the pipe of each circuit in the ratio of width to length, capacitance, resistance value for manual calculation, finally the circuit was simulated by Hspice software.Simulation results show that, circuit has good temperature performance, 0 ℃ ~ 100 ℃temperature range, the temperature coefficient of the reference voltage is about 0.25mV/ ℃, the output voltage is 1.0V.Keywords: MOS device; bandgap voltage reference; extraction; output voltage temperature coefficient;目录0 前言 (1)1 MOS器件原理 (3)1.1基本概念 (3)1.1.1 MOSFET的结构 (3)1.2 MOS的I/V特性 (4)1.2.1 阈值电压 (4)1.3 二级效应 (5)1.3.1 体效应 (5)1.3.2 沟道长度调制 (6)1.3.3 亚阈值导电性 (6)1.3.4 电压限制 (7)2 基准电压源电路原理 (8)2.1基准电压源的结构 (8)2.1.1直接采用电阻和管分压的基准电压源 (8)2.1.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源 (9)2.1.3带隙基准电压源 (11)2.2带隙基准电压源的基本原理 (11)2.2.1与绝对温度成正比的电压 (12)2.2.2负温度系数电压VBE (13)2.3带隙基准源的几种结构 (14)2.3.1 widlar带隙基准源 (14)2.3.2 Brokaw带隙基准源 (15)2.3.3使用横向BJT的CMOS带隙基准源 (15)3 基准电压源电路设计 (17)3.1基准源的整体结构 (17)3.2参数提取 (18)3.2.1 MOS管阈值电压的提取 (18)3.2.2 MOS管的跨导参数 (19)3.2.3 MOS管的沟道长度调制效应系数 (21)3.3运算放大器电路结构以及尺寸计算 (22)3.3.1运算放大器结构及指标 (22)3.3.2根据运放手动计算 (23)3.4带隙电压基准电路结构以及计算 (30)3.4.1带隙电压基准核心电路 (30)3.4.2 Vbe结的温度系数及结电压的计算 (30)3.4.3 Vbe的温度系数计算 (31)3.4.4带隙电路零温度系数的计算 (32)4 电路仿真 (33)4.1仿真工具介绍 (33)4.2失调电压仿真验证 (33)4.3输入共模范围 (34)4.4幅频相频特性 (35)4.5带隙电压基准核心电路仿真 (35)5 结论 (36)致谢 (37)参考文献 (38)附录A： (39)附录B： (45)附录C： (54)辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 前言基准电压源(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。

带隙基准学习笔记Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998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到，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。

B.拓扑结构的选择上图是传统结构的带隙基准，假设31M ~M 尺寸相同，那么输出电压为BE V 是负温度系数，对温度求导数，得到公式（Razavi ，Page313）：其中，23-≈m 。

如果输出电压为零温度系数，那么：得到： 带入： 得到：在27°温度下，输出电压等于，小于电源电压，可这个电路并不能工作在电源电压下，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：其中，2BE V 是三极管2Q 的导通电压，pair al differenti input GS V ___是运放差分输入管对的栅源电压，source current of drive over V ____是运放差分输入管对尾电流源的过驱动电压。

对于微安级别的电流，可以认为：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：下表列出了工艺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：可以计算出在不同温度的Corner 角下电源电压的最小值：可以看出，对于大部分情况，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，使其可以工作在电源电压下。

上图是一种实用的低压带隙基准的结构，假设31M ~M 尺寸相同，同样假设：那么，输出电压为：如果输出电压为零温度系数，那么：得到： 带入： 得到：可以通过设置3R 与2R 的比值，将输出电压设定在任意值。

带隙基准的原理和应用1. 带隙基准的概念带隙基准是指能源禁带（带隙）的能量差作为基准来描述其他能级的能量。

在固体物理学和半导体器件工程中，带隙基准是一个重要的概念。

在材料科学和电子学领域，带隙基准的理解和应用对于开发新材料和设计新型器件具有重要意义。

2. 带隙基准的原理带隙是固体材料中电子能级的能带结构中出现的能量差。

在绝缘体和半导体中，带隙是由原子之间的相互作用和晶格结构所决定的。

带隙基准的原理可以通过能带理论来解释，即根据固体结构和电子行为来描述材料的能量级。

根据能带理论，材料中的电子分为价带和导带。

在绝缘体中，带隙较大，导带与价带之间没有电子，因此电子无法在绝缘体中自由移动。

而在导电材料中，带隙较小，导带和价带之间有部分电子，因此电子可以在导电材料中自由移动。

带隙基准的原理是通过确定材料中带隙的大小来描述其他能级的能量。

带隙越大，材料的导电性越差，绝缘性越好。

带隙越小，材料的导电性越好，半导体性质越明显。

3. 带隙基准的应用带隙基准在材料科学和半导体器件工程中具有广泛的应用。

以下列举几个应用案例：•化学材料设计：通过带隙基准可以预测一种化学材料的导电性和光学性质，进而引导新材料的设计和合成。

例如，在太阳能电池的设计中，通过调整材料的带隙大小可以提高光电转换效率。

•半导体器件制造：在半导体器件的设计和制造过程中，带隙基准起到了关键的作用。

带隙基准可以帮助工程师确定材料的导电性和电子特性，从而指导半导体器件的设计和性能优化。

例如，在集成电路中，带隙基准可以帮助确定材料的选择和布局。

•能源存储与转换：带隙基准在能源存储和转换领域也有重要的应用。

通过带隙基准，可以预测材料在光伏、光催化和电池等能源转换过程中的效率和稳定性。

例如，在锂离子电池的设计中，带隙基准可以帮助选择合适的正负极材料，以提高电池的容量和循环寿命。

•电子行为研究：带隙基准也可以用于研究材料中的电子行为。

通过带隙基准，可以了解材料中的电子结构和激发态，进而研究材料的输运性质和光学性质。

带隙基准电路的基本原理是基于半导体材料的能带结构。

在半导体中，存在一个禁带（能隙），用于区分导带和价带。

导带中的电子能够在半导体中自由移动，而价带中的电子处于固定位置。

当在半导体中施加电压时，电子能够从价带跃迁到导带中，从而形成电流。

带隙基准利用半导体材料特有的能带结构来生成稳定的电压参考。

具体原理如下：首先，在半导体材料中形成两个P-N结，其中一个为温度感应器，另一个是反向偏置的二极管。

当在这两个结之间施加偏置电压时，会形成一条叫做带隙电压（Bandgap Voltage）的电压参考。

该电压与半导体材料的能带隙相关，而与工作温度无关。

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到，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。

B.拓扑结构的选择上图是传统结构的带隙基准，假设31M ~M 尺寸相同，那么输出电压为312ln BE T REF V R R NV V += BE V 是负温度系数，对温度求导数，得到公式（Razavi ，Page313）：TqE V m V T V g T BE BE /)4(33-+-=∂∂ 其中，23-≈m 。

如果输出电压为零温度系数，那么：0ln 123=+∂∂=∂∂R RN q k T V T V BE REF 得到：Tq E V m V R RN q k g T BE /)4(ln 312-+--=带入：312ln BE T REF V R R NV V += 得到：T g REF V m qE V )4(++=在27°温度下，输出电压等于，小于电源电压，可这个电路并不能工作在电源电压下，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：source current of drive over pair al differenti input GS BE V V V VDD _______2min ++=其中，2BE V 是三极管2Q 的导通电压，pair al differenti input GS V ___是运放差分输入管对的栅源电压，source current of drive over V ____是运放差分输入管对尾电流源的过驱动电压。

对于微安级别的电流，可以认为：THGS V V ≈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。