Bandgap(带隙)-Circuit.ppt

1Analog IC Design BroadGalaxy Electronics Ltd.July 2009BroadGalaxy Confidential21.电压基准和电流基准的作用；电压基准和电流基准的作用； 2.电压基准结构选择；电压基准结构选择；3.与温度无关的电压基准与温度无关的电压基准——bandgap；；4.实际实际bandgap电路设计；电路设计；5.实际实际bandgap电路仿真；电路仿真；6.电流基准的设计：电流基准的设计：PTAT电流电流/与温度无关电流；与温度无关电流；7.补充内容：闭环电路的稳定性判据；补充内容：闭环电路的稳定性判据；8.课后练习要求课后练习要求Outlinebandgap参考电压源电路设计与仿真参考电压源电路设计与仿真BroadGalaxy Confidential3电压基准和电流基准的作用l模拟电路的设计中须广泛的应用到电压基准和电流基准，它们是直流量，为核心电路提供偏置，建立直流工作点；；l一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在着一定的波动，而模拟电路对偏置电压的稳定性要求较高，因此一般会使用一个参考电压源，它将电源电压转化为一个具有良好电压稳定性和温度稳定性的电压，以提供良好的偏置。

l同时大部分电路也需要一个参考电流源以提供偏置，常见的有不随温度变化的电流和与温度成正比的电流；BroadGalaxy Confidential4电压基准和电流基准的作用l常用的基准有：常用的基准有： 与温度无关的基准电压；与温度无关的基准电压； 与温度成正比的电流（与温度成正比的电流（PTAT电流）；电流）； 与温度无关的电流与温度无关的电流.BroadGalaxy Confidential5电压基准结构选择电压基准结构选择l灵敏度S ：灵敏度用于衡量参考电压源的稳压特性，灵敏度越低参考电压源的稳压特性越好l动态电阻：对于一个二端元件，当其端电压变化时，端电压微小增量与端电流微小增量的比值动态电阻等于I—V曲线上参考点处曲线斜率的倒数介绍两个概念r=BroadGalaxy Confidential6电压基准结构选择电压基准结构选择l对一个一般的分压网络进行分析，R1、R2为阻性元件假定电源电压变化了 ,因为R1和R2串联， 会以一定比例分配在这两个电阻上，并且两者的电流改变量一致BroadGalaxy Confidential7电压基准结构选择电压基准结构选择l这说明 在R1、R2上的分配与R1、R2的动态电阻成正比。

如果我们能让R1的动态电阻很小，R2的动态电阻很大，则 大部分落在R2上，一小部分落在R1上， 对电源电压的灵敏度会大大降低，稳压性能就会得到很大提高BroadGalaxy Confidential8电压基准结构选择电压基准结构选择l如果选择R1、R2均为线性电阻，则它们的动态电阻与静态电阻相等电源电压变化量 将仍以原来的静态电阻的分压比分配给R1、R2，最后R1、R2 的分压比与电源电压变化前相比没有改变所以 与电源电压将等比例变化，S=1，稳压效果不理想BroadGalaxy Confidential9电压基准结构选择电压基准结构选择l在CMOS电路设计中，最自然的考虑是用非线性电阻元件MOS二极管来替代电阻R1 MOS二极管具有较小的动态电阻在W/L=2,R2=100K情况下，S的典型值为BroadGalaxy Confidential10电压基准结构选择电压基准结构选择l在CMOS工艺当中，我们还可以利用寄生的纵向pnp三极管来形成二极管，它比MOS二极管具有更小的动态电阻此种结构的稳压性能比较好，现阶段我们都采用此种结构BroadGalaxy Confidential11bandgap电路设计l这种结构的稳压性能虽好，但是它的温度特性仍然没有得到改善。

具有负的温度系数，在室温时大约是/℃我们可以通过补偿的方法来改善参考电压源的温度特性我们期望构造出具有正温度系数的KT项，其中K为正常数，T为热力学温标,使l当温度变化时， 与KT具有相反的变化趋势，则可以使 的温度特性得到补偿BroadGalaxy Confidential12bandgap电路设计l此结构是在一个负反馈运算放大器的两个输入端各接一个稳压电路两路稳压电路并联它们并联的总电压作为我们所要的参考电压，连接到运放的输出端输出电源电压包含在运放里下面分析一下它的工作原理BroadGalaxy Confidential13bandgap电路设计（VR3即是我们要构造的KT项）k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，T为绝对温度,A为发射极面积BroadGalaxy Confidential14bandgap电路设计将VR1带入 VR3，得其中所以因为所以BroadGalaxy Confidential15bandgap电路设计必须独立于温度(用电阻之比)必须独立于电源电压BroadGalaxy Confidential16KT项其实是两只稳压管的be结电压之差，这个电压我们是通过负反馈运放虚短用R1电阻取得的。

我们又通过负反馈的作用使得I1/I2固定于R2/R3，从而使得K值独立于温度和电源电压最后，通过R1与R3的电压线性比例关系得到在R3上的温度补偿电压bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential17bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential18bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential19bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential20bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential21bandgap电路仿真l分析目的：直流温度扫描分析是为了分析参考电压源的温度特性，即在扫描温度范围内输出的参考电压值随温度的变化情况l测试激励：固定供电电压源，扫描温度参数扫描范围（-40℃，120℃）直流温度扫描BroadGalaxy Confidential22bandgap电路仿真BroadGalaxy Confidential23bandgap电路仿真l分析目的：分析在工艺参数变化的情况下，输出参考电压的变化情况l测试激励：corner分析，ff,ss,温度扫描范围（-40，120）。

工艺角扫描BroadGalaxy Confidential24bandgap电路仿真l分析目的：直流电压扫描分析是考察在供电电源电压值线性变化的情况下，输出参考电压值的变化情况l测试激励：施加直流电压线性扫描，供电电压扫描范围（，2V）直流电压扫描BroadGalaxy Confidential25bandgap电路仿真lPTAT电流的产生BroadGalaxy Confidential26 目的：l产生与温度和电源都无关的电压基准；l产生与温度无关的电流基准；bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential27bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential28bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential29bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential30bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential31bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential32bandgap电路设计进阶 其它结构的电压基准电路设计l产生与温度和电源无关的电压基准；l产生与温度无关的电流基准；BroadGalaxy Confidential33bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential34bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential35bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential36bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential37bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential38bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential39bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential40补充补充l闭环电路的稳定性判据BroadGalaxy Confidential41补充补充Stability Analysis with Bode PlotsBroadGalaxy Confidential42ENDQ&ABroadGalaxy Confidential43课后练习要求：课后练习要求：lBandgap2_2v调试，电路如下：BroadGalaxy Confidential44课后练习要求课后练习要求l指标要求：lVREF直流范围：0.7V~0.9V;lIREF直流范围：10uA~50uAlVREF温度系数：<16ppm,-40DEG~120DEG;lVREF电源电压扫描： ,VDD=1.6V~2VlIREF温度扫描:lIREF电源电压扫描：l闭环STB仿真：phase margin>60degree gain margin>10dBBroadGalaxy Confidential45课后练习要求：课后练习要求：lBandgap3_3v调试，电路如下：BroadGalaxy Confidential46课后练习要求课后练习要求l指标要求：lVREF直流范围：1.1V~1.3V;lIREF直流范围：50uA~100uAlVREF温度系数：<14ppm,-40DEG~120DEG;lVREF电源电压扫描： lIREF温度扫描:lIREF电源电压扫描：l闭环STB仿真：phase margin>60degree gain margin>10dBBroadGalaxy Confidential47预习要求预习要求l比较器电路基础；lVCO与PLL电路基础；l射频电路基础：史密斯圆图，阻抗匹配，最大功率传输原理，高频电路中电容与电感如何等效；l参考书目： P.E. Allen, “CMOS Analog Circuit Design”, Second Edition, 电子工业出版社电子工业出版社 Thomas H. Lee,“ The Design of CMOS Raido Frequency Integrated Circuits” (英文版或中文版英文版或中文版) Behzad Razavi，，“RF Microelectronics ”(英英文版或中文版文版或中文版)。