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基于VBE线性化与分段补偿技术的带隙基准电压源作者：王永泽来源：《数字技术与应用》2018年第12期摘要：基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，采用VBE线性化补偿技术与温度分段补偿技术设计了一种高精度的带隙基准电压源。
仿真结果显示，所设计的带隙基准电压源在-40℃～125℃内获得了0.47ppm/℃的温漂系数，在低频处获得了-60dB的电源抑制。
关键词：带隙基准;VBE线性化补偿;温度分段补偿;电源抑制中图分类号：TN432 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0054-020 引言带隙基准电压源在电源电压与环境温度变化的情况下可以提供一个高精度的参考电压，因而被广泛应用于高性能的A/D转换电路、D/A转换电路、锁相环、滤波电路等重要模拟电路模块中。
为得到高精度的带隙基准源，通常需要在一阶带隙基准电路的基础上进行温度补偿，目前带隙基准补偿方法有二阶温度补偿[1]、VBE线性化补偿[2]、分段线性补偿[3]等。
基于此，本文结合了VBE线性化补偿与分段补偿技术，设计了一种高精度带隙基准电路。
1 电路设计图1为本文设计的带隙基准电压源，主要包含VBE线性化补偿电路、分段补偿电路、启动电路三个部分。
VBE线性化补偿思想是通过控制三极管集电极电流的温度系数，进而产生一个对基准电压进行补偿的非线性电压。
分段补偿电路中，M11管漏极电流在R5上产生的电压在低温区域对基准电压进行补偿，M7管漏极电流在R4与R5上产生的电压在高温区域对基准电压进行补偿。
启动电路用于保证电路顺利进入正常工作状态。
VBE线性化补偿电路由MOS管M1～M6、四端输入运放A1、双端输入运放A2、双极型晶体管Q1～Q3、电阻R1～R5组成。
其中，M1管与M2管完全相同。
Q3的发射结面积是Q2的N倍。
在忽略四端输入运放A1引入的高阶项压差的情况下，节点C与节点D电压相等，则流经Q2集电极电流IQ2为。
式中，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷量。
高性能BiCMOS带隙基准电压源设计的开题报告一、选题背景及研究意义随着现代科技的不断进步和发展，各种新能源、新材料、新技术的应用越来越广泛，对电子器件的性能要求也越来越高，其中基准电压源就是一个很重要的器件。
基准电压源广泛应用于模拟电路中，不仅可以用于电源电压的参考，还可以作为各种精度要求较高的比较器的参考电压。
因此，设计一个高性能、高精度的基准电压源对现代电子技术的发展和应用具有重要意义。
为了满足上述要求，本次研究将采用BiCMOS技术设计基准电压源，并运用高斯分布的随机方法对电路参数进行优化，以获得更高的性能和精度。
二、研究内容及方法1.设计思路本研究采用基础的带隙参考电路结构，即将晶体管的反向饱和电流转换为温度稳定的基准电压。
整个电路主要分为两个部分：隙基电压产生电路和放大器电路。
隙基电压产生电路采用基础的PTAT温度补偿方法，通过对比温度产生相应大小的电流。
放大器电路采用弱反馈形式进行增益，以实现电路的高增益和低噪声。
2.优化方法本研究采用高斯分布的随机方法对电路参数进行优化。
随机参数的数量为20个左右。
优化过程中，在满足电路性能指标的前提下，尽可能优化电路的能耗、噪声等特性。
3.仿真工具本研究将采用Cadence Virtuoso进行电路设计，并使用Spectre仿真器进行电路仿真。
在优化过程中，将采用Matlab进行参数优化。
三、预期结果及意义预计本研究可以设计出高性能、高精度的带隙基准电压源电路，可以在模拟电路中广泛应用，并展示BiCMOS技术在模拟电路设计中的优越性。
本次研究可以为电子技术的发展和应用提供有力支持，也可以为学者们提供参考和借鉴。
—高精度c m o s带隙基准源的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高精度的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。
然后详细介绍了带隙基准电压源的基本结构及基本原理，并对不同的带隙基准源结构进行了比较。
接着对如何提高带隙基准的电源抑制比以及带隙基准电压源的温度补偿原理进行了分析，还总结了目前提高带隙基准电压源温度特性的各种方法。
在此基础上运用曲率校正、内部负反馈电路、RC滤波器、快速启动电路，设计出了具有良好的温度特性和高电源抑制比的带隙基准电压源电路。
最后应用HSPICE仿真工具对本文中设计的带隙基准电压源电路进行了完整模拟仿真并分析了结果。
模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性和高电源抑制比，0℃～100℃温度范围内，基准电压温度系数大约为11.2ppm/℃，在1Hz到10MHz频率范围内平均电源抑制比(PSRR)可达到-80dB，启动时间为700s 。
关键词: 带隙基准电压源；温度系数；电源抑制比；AbstractVoltage reference is the vital basic module which is widely adopted in analog circuits. It can supply a voltage with high stability. The power supply, technics parameter rand temperature has lesser effete to this voltage. Its temperature stability and antinoise capability influence the precision and performance of the whole system. The purpose of this article is to design a high precision CMOS bandgap voltage reference.In this article, the present situation and developmental trend of voltage reference studies both at home and abroad are presented. The structure and principle of voltage reference are analyzed in detail, and then the different structures of bandgap voltage reference are compared. By analyzing the power supply rejection ratio (PSRR) and the principle of temperature compensation, the method of improving the temperature characteristic is summarized. The design of a bandgap voltage reference circuit with high power supply rejection ratio and good temperature characteristic is completed by applying curvature emendation, inside negative feedback technology, RC filter and fast start-up circuit. At last, the circuits have been simulated with HSPICE simulation tools.The simulation results show that，the circuit with good temperature characteristic and high power supply rejection ratio, and at the temperature range of 0℃ to 100℃, the temperature coefficient(TC) is about 11.2ppm/℃. In the frequency range of 1Hz to 10MHz, the average power supply rejection ratio is more than -80dB and it has a turn-on time less than 700s .Key Words: bandgap voltage reference; temperature coefficient; power supply rejection ratio;目录摘要 (I)Abstract....................................................... I I 1.绪论 (1)1.1 国内外研究现状与发展趋势 (1)1.2 课题研究的目的意义 (2)1.3 本文的主要内容 (2)2. 基准电压源的原理与电路 (3)2.1 基准电压源的结构 (3)2.1.1直接采用电阻和管分压的基准电压源 (3)2.1.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源 (4)2.1.3带隙基准电压源 (6)2.2 带隙基准电压源的基本原理 (6)2.2.1与绝对温度成正比的电压 (7)2.2.2负温度系数电压V BE (7)2.3 带隙基准源的几种结构 (8)2.4 V BE的温度特性 (11)2.5 带隙基准源的曲率校正方法 (13)2.5.1线性补偿 (13)2.5.2高阶补偿 (13)本章小结 (17)3. 高精度CMOS带隙基准源的电路设计与仿真 (18)3.1 高精度CMOS带隙基准电压源设计思路 (18)3.2 核心电路 (19)3.3 提高电源抑制比电路 (20)3.3.1负反馈回路 (21)3.3.2 RC滤波器 (22)3.4 快速启动电路及快速启动电路的控制电路 (23)3.4.1快速启动电路的控制电路 (23)3.4.2快速启动电路 (24)3.5 CMOS带隙基准电压源的温度补偿原理 (24)3.6 高精度CMOS带隙基准电压源的电路仿真 (27)3.6.1仿真工具的介绍 (27)3.6.2核心电路的仿真结果 (27)3.6.3电源抑制比电路的仿真结果 (28)3.6.4快速启动电路的仿真结果 (28)3.6.5整体电路的仿真结果 (29)本章小结 (30)结论 (32)致谢 (33)参考文献 (34)1.绪论基准电压源(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。
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。
一种高精度的CMOS 带隙基准电压源黄晓敏,沈绪榜,邹雪城,蒋 湘(华中科技大学图像识别与人工智能研究所,湖北省武汉市430074)【摘 要】 设计了一种采用0.25μm CMOS 工艺的高精度带隙基准电压源。
该电路结构新颖,性能优异,其温度系数可达3×10-6/℃,电源抑制比可达75dB 。
还增加了提高电源抑制比电路、启动电路和省功耗电路,以保证电路工作点正常、性能优良,并使电路的静态功耗较小。
关键词:CMOS ,带隙,基准电压源中图分类号:TN492收稿日期:2003208211;修回日期:20032102110 引 言基准电压源广泛应用于A/D 和D/A 转换器、数据采集系统、电压调节器以及各种测量设备,其精度和稳定性直接决定了整个系统的精度。
电压基准源有基于正向V BE 的电压基准、基于齐纳二极管反向击穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种。
其中,带隙电压基准具有低温度系数、高电源抑制比、低基准电压以及长期稳定性等优点,因而得到广泛应用。
本文提出了一种结构比较新颖的基准电压源电路,具有较低的温度系数和较高的电源抑制比。
此外,还增加了提高电源抑制比电路、启动电路和省功耗电路,以保证电路工作点正常、性能优良,并使电路的静态功耗较小。
1 电路结构1.1 带隙基准原理由于双极型晶体管的基极2发射极电压V BE 呈负温度系数,而两个双极型晶体管工作在不同的工作电流时,它们的基极2发射极电压差ΔV BE 正比于绝对温度。
故取:V REF =V BE +K ΔV BE (1)将式(1)对温度微分,并代入V BE 和ΔV BE 的温度系数,就可以求得合适的K 值。
理论上,V REF 的温度系数可以为0,并且V REF 几乎不受电源电压变化的影响。
所以,V REF 的温度系数很小,同时也有较好的电源抑制比。
1.2 带隙基准压的核心电路如图1所示的功耗控制开关,当CTR 为低电平时,M12导通,M13关闭,则N 3点电位为高,M5关闭,差分放大器尾电流为0,差分放大器没有工作,整个电路也没有工作,处于省功耗状态;当CTR 为高电平时,M12关闭,M13导通,则M11～M16组成的偏置电路为N 3点提供合适的偏置电压V N 3,使得差分放大器以及整个电路正常工作。
M1～M5组成差分放大器,M6和M9组成共源放大器,差分放大器输出端接到M6的栅上,则M1～M6以及M9组成二级运放,电容C0为补偿电容。
同时,M9进行电流映射,使流过双极型晶体管Q1、Q2和Q3的电流相等。
Q1和Q2支路上的N 1、N 2点反馈到差分放大器的差分输入端,形成负反馈;运放增益较大时,电路处于深度负反馈,当电路平衡时,节点N 1、N 2点电位相等。
图1 带隙基准电压源核心电路设流过Q2和Q2和Q3的电流都为I ,则有:V BE2=V BE1+IR 1(2)得到:I =V BE2-V BE1R 1(3) 设Q1发射区面积是Q2的M 倍,则V BE1=k T q ln I M I s (4)V BE2=k T q ln I I s(5)将式(4)、式(5)代入式(3),则・31・第30卷第3期2004年3月 电子工程师 EL ECTRON IC EN GIN EER Vol.30No.3 Mar.2004I =k T q ln MR 1(6)故V REF =I R 2+V BE3=k T q R 2ln MR 1+V BE3(7)式(7)中,第1项具有正温度系数,第2项具有负温度系数,适当选择R 2/R 1和M 值,在一定温度下V REF 的温度系数理论上可以达到0。
在实际的电路中,根据作者的设计需要,取M =8,则R 2/R 1=8.27时,V REF 的温度系数为0。
1.3 运放失调电压V OS 对基准源精度的影响任何运放都存在失调电压V OS ,当考虑V OS 时,V REF =R 2R 1k Tqln M -V OS +V BE3(8)可见,V OS 严重影响了V REF 的精确性,引入了较大的误差;此外,V OS 还是温度的函数,这将影响到温度的补偿;电源抑制比引入的误差可以折合到V OS 中,因此V OS 也与电源有关。
V OS 体现了V REF 的理论值与V REF 的实际值之间差异的主要来源。
为了减少电压失调对基准电压的影响,差分运放的失调要尽可能小。
失调主要来源于电阻之间的不匹配、晶体管之间的不匹配、运放输入级管子阈值电压的不匹配、运放的有限增益等。
实际上,V OS 很难完全消除,但是通过提高运放的增益和细致设计版图,可以使这种影响减小,从而提高电压基准源的精度。
1.4 提高电源抑制比电路和启动电路电压源核心电路本身具有较好的电源抑制比特性。
例如,当电压增高时,差分放大器两输入端的电压都增加。
但是,流过R1的电压是线性增加的,而Q2上的压降是对数增加的,速度慢于流过R1的电压,差分放大器由于反相端N 1点电压增加大于正相端N 2点的电压增加,故输出电压减小,使得电流减小,形成深度负反馈,使电流稳定。
输出电压V REF 几乎与电源电压无关,因而能获得较高的电源抑制比。
本电路采用了0.25μm CMOS 工艺,由于沟道调制系数反比于沟道长度,故对于本电路中的短沟道器件,电流I 的V DS 电压系数比较大,这就需要额外的电路来减小电源电压对V REF 的影响,以提高电源抑制比。
将带隙基准源的核心电路置于内部校准电压V REG 下工作,通过高增益深度负反馈回路使得N 1点和N 2点电位相等,同时调节V REG ,使其尽可能小地随电压变化,从而整个电路能够有很高的电源抑制比。
同时,为了保证电路在正常工作状态下工作,还增加了启动电路,其电路如图2所示。
图2 带电源抑制比电路和启动电路的带隙基准电压源电路 当电源V CC 变化(例如升高)时,V REG 增加,N 1、N 2点的相对电压差产生变化,通过M17～M20组成的放大器放大,使N 4点电位增高,通过M21的电流增加,使V REG 降低。
M17～M21组成的放大器增益越高,V REG 越稳定,V REF 受V CC 影响越小,电源抑制比就越高。
当V CC 接通瞬间,可能出现各支路电流为0、N 5点为高电平、V REG 及其他各节点为低电平的情况,这时电路处于非正常工作状态。
但是通过启动电路,能够使电路回到正常的工作点。
具体过程如下:V REG 为低电平,N 5点为高电平,则使M27导通,N 6点电位升高,使M23、M24导通,其中M24导通,使N 5点电位降低,促使M22、M25导通,V REG 电位升高,M14～M16导通(CTR 为2.5V ),N 3点电位降低,M5导通,N 7点电位升高;M23导通,N 1点电位相对于N 7点电位保持低电平,M3导通,N 8点电位升高,M6、M10导通,同时,M10将流过M6、M10的电流映射到其他各个支路,各支路逐渐达到正常工作点。
同时,N 6电位降低,V REG 电位升高,M27、M23、M24相继关闭,启动电路没有电流通过,整个电路保持在正常工作点。
2 电路模拟和仿真结果采用1st Silicon 的0.25μm BSIM3V3工艺模型对电路的温度系数和电源抑制比进行了模拟仿真。
温度范围为-10℃～70℃,电压范围为2.25V ～2.75V ,仿真得到的温度系数为3×10-6℃,电源抑制比为75dB 。
在tntp 模型下的仿真结果见图3和图4。
图3 温度特性・41・・微电子与基础产品・ 电子工程师 2004年3月图4 电压调整特性3 版图设计本电路采用0.25μm CMOS 工艺,硅片面积为0.05mm 2。
模拟电路的版图设计对电路性能的影响很大,故设计中要特别注意器件的匹配以及布局布线的合理性。
a )本电路中的关键器件是PN P Bipolar 晶体管,实际电路中Q1与Q2的面积比为8∶1,即M =8,采用3×3的阵列,Q2在中央,Q1则围绕在Q2周围,以增加匹配性。
b )集成电路中电阻误差很大,电压源中R2与R1阻值的比值误差对温度补偿特性有很大影响,在绘制版图时,以R1的阻值为单元结构,R 2=N R 1,则画N 个这样的单元,与R1并排放在一起,同时在电阻周围加上了dummy 电阻,以减少环境的影响,增强电阻匹配性。
4 结束语本文设计了一个带隙基准电压源,电路结构比较新颖,性能较好。
在实际电路设计中,该带隙基准电压源IP 核被应用于低压差分信号驱动器的电路设计,为系统提供参考电压。
Spectre 仿真表明,在-10℃～70℃时,其温度系数为3×10-6℃;在2.25V ～2.75V 时,电源抑制比为75dB 。
该电压源采用0.25μm CMOS 工艺,硅片面积为0.05mm 2。
参 考 文 献[1]拉扎维・B.模拟CMOS 集成电路设计.陈贵灿,程 军,张瑞智,等译.西安:西安交通大学出版社,2003[2]Meijer G C M ,Schmale P C ,Van Zalinge K.A New Curva 2ture 2corrected Bandgap Reference.IEEE Journal of S olid 2State Circuits ,1982,17(6):1139～1143[3]Tham K M ,Nagaraj K.A Low Supply Voltage High PSRRVoltage Reference in CMOS Process.IEEE Journal of S olid 2state Circuits ,1995,30(5):586～590[4]刘 韬,徐志伟.一种高电源抑制比CMOS 能隙基准电压源.微电子学,1999,29(2):128～131[5]王 彦,韩益锋.一种高精度CMOS 带隙基准源.微电子学,2000,33(3):255～261[6]何 捷,朱 臻.一种具有温度补偿、高电源抑制比的带隙基准源.复旦学报(自然科学版),2001,40(1):86～90A Precise CMOSB andgap V oltage R eferenceH uang Xiaomin ,Shen Xubang ,Zhou Xuecheng ,Jiang Xiang (Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China )【Abstract 】 A bandgap voltage reference using 0.25μm CMOS process is described.SPECTRE simu 2lation shows that the average temperature coefficient (TC )is 3ppm/℃from -10℃to 70℃and the aver 2age power supply rejection ratio (PSRR )is 75dB from 2.25V to 2.75V at 27℃.K eyw ords :CMOS ,bandgap ,voltage reference (上接第12页)Design of Current Source Depending on the T echnologyof R esistor CompensationChen Bi ,Luo Lan ,Zhang Meng(Southeast University ,Nanjing 210096,China )【Abstract 】 A new way to get current sources of low drift with temperature by compensated resis 2tances is concerned.Depending on the analysis of the resistance models ,using the way of two kinds of re 2sistances compensation to get resistance of low temperature coefficient ,then optimize the temperature char 2acteristic of the output current.We can know from the simulated results that the temperature coefficient of the output current is 33ppm/℃.The way to optimize the stability of the output when the voltage reference is not ideal is also mentioned last at this paper.K eyw ords :current source ,temperature coefficient ,reference current ,resistance compensation technology・51・第30卷第3期 黄晓敏,等:一种高精度的CMOS 带隙基准电压源 ・微电子与基础产品・。
