集成电路课程设计-一阶温度补偿带隙基准.docx

精品名师归纳总结一、功能描述设计一个一阶补偿的带隙基准电路，参数要求如下：1. 全温度特性温度漂移系数小于 30ppm/℃2. 输出电压大约为± 二、电路设计1. 带隙基准的基本原理带隙基准的基本原理是将两个拥有温度系数相反的电压以合适的权重相加， 最终获得具有零温度系数的基准电压双极性晶体管具有以下两种特性： ①双极性晶体管的基极 - 发射极电压 〔VBE 〕电压与肯定温度成正比②在不同的集电极电流下，两个双极性晶体管的基极 - 发射极电压的差值与肯定温度成正比因此，双极性晶体管可以构成带隙电压基准的核心1) 负温度系数电压对于一个双极型晶体管，其集电极电流与基极 - 发射极电压的关系为I c I s exp〔VBE / VT 〕可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结其中， I s是双极型晶体管的把螯合电流VT kT/ q ， k 为玻尔兹曼归仍苏， q 为电可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结子电荷进一步利用饱和电流I s 的运算公式，可以得到VBE的温度系数为可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结VBE VBE〔4 m〕VTEg / q可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结T T可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结从上式可见，VBE 电压的文帝系数与温度本身有关， 因此假如正温度系数是一个固定值，可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结与温度无关，那么在带隙电压基准的温度补偿中就会显现误差。

2) 正温度系数电压可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结假如两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为nI 0与 I 0，并且忽视他们的基极电流，可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结那么它们的基极 - 发射极电压差值为VBEVBE1VBE 2可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结=V ln nI 0 V ln I 0 V ln nT T TI S1 I S2因此，VBE 的差值就表现出正温度系数， 这个温度系数与温度本身以及集电极电流无关3) 实现零温度系数的基准电压利用上面的正、负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压，有以下关系：可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结VREFVBE〔VT lnn〕可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结通过设置合适的参数可以获得零温度系数电压2. 带隙基准的电路图1) 整体电路的设计带隙电压基准的基本电路图有两种，一种是利用 PTAT 电流产生电压基准，另外一种是采纳运算放大器输出端产生基准电压，本次设计最终采纳拉扎维《 cmos 模拟集成电路设计》可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结书上采纳的电路图 1：可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结2) 放大器电路的设计图 1 整体电路图可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结带隙基准所需要的放大器需要高增益，但是对频率响应要求不高，所以挑选在简洁的差分放大电路后面加一级共源放大电路获得所需要的高增益放大，如下图，管子的尺寸做的与差分放大电路基本一样，可以获得相同的放大增益，如图为放大器电路图 2：图 2 放大器电路图如图为放大器偏置电压电路图 3图 3 偏置电路3. 电路参数的运算可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结1) 电路所需参数的猎取，以老师实际建模的能够正常工作的一级差分放大电路为模型， 测量运算得到以下参数：可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结pmos_3p3p Cox30u =0.2 VTH=可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结nmos_3p3n Cox110u =0.1 VTH=可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结对于本电路最重要的一个参数是 pnp 管的温度漂移系数， 对于这个系数通过实际搭建简洁电路进行测量，测量结果如下，在 27℃/ ℃2) 电路参数的运算由电路原理得可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结Vout VBE 2〔VTln mn〕〔1R2 〕 R1可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结为了得到零温度系数输出就：VoutVBEVT〔lnmn〕〔1R2 〕可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结T T T R1可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结由 于 VBE / T1.35mv/ ℃ ，VT / T0.087mv / ℃ ， 所 以 可 以 计 算 得 到可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结〔 R2/ R11〕ln mn15.5，取 R2 /R1=4，即取 R2=8K，R1=2K，就得到 ln mn =，就 mn=，取可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结m=3， n=9，通过放大器的反馈作用，可以将如图 x， y 两点的电压钳制为相同值，就 R1电阻两端的电压为可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结VBEVT ln〔mn〕可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结运算可以知道nI VBE/ R140uA可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结进一步可以得到 mI 14uA ，明显 M0 与 M1 管为放大器两边供应电流源，放大器的输出通过两个支路的电流相互反馈钳制在一个固定值，由于电源电压为 3.3V ， VBE 大约为0.75V ，所以取放大器的输出钳制在 2V，然后可以得到 M0管与 M1管的宽长比。

利用公式I 1 C W 〔V -V 〕 2D p ox GS th2 L代入各自的电流，得到 M0的宽长比为 9， M1的宽长比为 15.可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结根据这个结果可以求的Vout1.17V可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结4. 电路的 spice 前仿可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结1) 放大电路的前仿，放大器采纳了差分放大电路 +共源放大电路的两级运放，最终获得的放大增益与相频特性如图：图 4 幅频特性与相频特性如图 4 放大增益可以到达 80dB2) 电路的仿真优化a) PNP管个数的优化理论设计 pnp 管的个数为 9，即 n=9，但实际可能存在误差，所以通过仿真可以详细确定所需 pnp 管的个数， 通过仿真发觉只有当 pnp 管的个数到达 11 个时才能够表现出较好的温度特性曲线，所以最终电路图中采纳 11 管 pnpb) M0管参数优化理论运算知道 M0 管宽长比为 10 时温度特性曲线最好，通过实际仿真优化发觉理论与实际完全一样，如下图，当 M0管宽长比为 10 时，温度特性曲线最好可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结c) M1管参数的优化图 5 M0 管参数优化可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结通过理论运算得到 M1的宽长比为 15，但实际仿真的结果显示当宽长比为 23 时， 温度特性曲线最好，如图 6可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结图 6 M1 管参数优化图d〕 电阻 R1 的优化选取的电阻两个一个为 8K，一个为 2K，通过仿真优化，发觉当R2=，如图 73〕 负温度系数与正温度系数的测量结果图 7 电阻 R1 参数优化图可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结通过以温度为扫描变量的直流扫描可以得到电路的负温度系数特性与正温度系数特性曲线分别如下图，其中图 8/ ℃图 8 负温度系数曲线图 9 正温度特性曲线图 9 为正温度特性曲线，温漂系数为 321uV/ ℃4) 温度特性曲线温度特性曲线作为带隙电压基准最重要的参数， 其温度漂移系数打算电路的整体性能， 因此我们测量了全温度特性曲线，如图 10 即从 -40 到 125℃的电压变化，测量结果显示最大偏差为 3.98mv，通过温度漂移系数的运算可以知道：可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结T VmaxVminX106 〔ppm/ ℃〕=3.98mv*106=20.2ppm / ℃可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结maxVmean 〔T Tmin 〕 1.197*165可编辑资料 -- -- -- 欢迎下载精品名师归纳总结。