Bandgap(带隙)-Circuit

1AnalogICDesignBroadGalaxyElectronicsLtd.July2009BroadGalaxyConfidential21.电压基准和电流基准的作用；2.电压基准结构选择；3.与温度无关的电压基准——bandgap；4.实际bandgap电路设计；5.实际bandgap电路仿真；6.电流基准的设计：PTAT电流/与温度无关电流；7.补充内容：闭环电路的稳定性判据；8.课后练习要求。Outlinebandgap参考电压源电路设计与仿真BroadGalaxyConfidential3电压基准和电流基准的作用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；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。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；BroadGalaxyConfidential4电压基准和电流基准的作用常用的基准有：与温度无关的基准电压；与温度成正比的电流（PTAT电流）；与温度无关的电流.BroadGalaxyConfidential5电压基准结构选择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。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。)()(DDDDREFREFVVVVs介绍两个概念r=IVBroadGalaxyConfidential6电压基准结构选择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。REFV1R2RIrrIIVIIVVVVRRRRRR212121VVBroadGalaxyConfidential7电压基准结构选择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。REFV1R2RIrrIIVIIVVVVRRRRRR212121VVBroadGalaxyConfidential8电压基准结构选择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。REFV1R2RVIVIVVBroadGalaxyConfidential9电压基准结构选择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0.283。REFV1R2RVIVIBroadGalaxyConfidential10电压基准结构选择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。典型值S=0.0362。此种结构的稳压性能比较好，现阶段我们都采用此种结构。VIVIBroadGalaxyConfidential11bandgap电路设计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-2.2mV/℃。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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。KTVVBEREFBEVREFVBEVBroadGalaxyConfidential12bandgap电路设计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。REFV1Q2Q1R2R3R1I2I1RVBroadGalaxyConfidential13bandgap电路设计REFV1Q2Q1R2R3R1I2I1RV32RBEREFVVVTAIAIqkJJqkTJJqkTVVVEESSBEBER21121122121lnlnln12121323RRVRIRIVRR（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。BroadGalaxyConfidential14bandgap电路设计TARARqkRRVEER2312123ln*KTVTARARqkRRVVVVBEEEBERBEREF2231212232ln*0ln231212EEARARqkRRK将VR1带入VR3，得其中所以TARARqkVEER23121ln3212RRII因为所以BroadGalaxyConfidential15bandgap电路设计1.K必须独立于温度(用电阻之比)2.K必须独立于电源电压KTVVEBREF20ln231212EEARARqkRRKREFV1Q2Q1R2R3R1I2I1RVBroadGalaxyConfidential16REFV1Q2Q1R2R3R1I2I1RVKT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BroadGalaxyConfidential17bandgap电路设计BroadGalaxyConfidential18bandgap电路设计BroadGalaxyConfidential19bandgap电路设计BroadGalaxyConfidential20bandgap电路设计BroadGalaxyConfidential21bandgap电路仿真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。测试激励：固定供电电压源1.8V，扫描温度参数。扫描范围（-40℃，120℃）。直流温度扫描BroadGalaxyConfidential22bandgap电路仿真BroadGalaxyConfidential23bandgap电路仿真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。测试激励：corner分析，ff,ss,温度扫描范围（-40，120）。工艺角扫描BroadGalaxyConfidential24bandgap电路仿真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。测试激励：施加直流电压线性扫描，供电电压扫描范围（1.6V，2V）。直流电压扫描BroadGalaxyConfidential25bandgap电路仿真PTAT电流的产生BroadGalaxyConfidential26目的：产生与温度和电源都无关的电压基准；产生与温度无关的电流基准；bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential27bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential28bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential29bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential30bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential31bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential32bandgap电路设计进阶其它结构的电压基准电路设计产生与温度和电源无关的电压基准；产生与温度无关的电流基准；BroadGalaxyConfidential33bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential34bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential35bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential36bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential37bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential38bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential39bandgap电路设计进阶BroadGalaxyConfidential40补充闭环电路的稳定性判据sTsAssAsAsAV11011-180)A(j1)A(joccurwhencannoscillatios,otherwordInoscillatecanamplifiertheandinfinitytogoesgainthe-1,)jA(sAsBroadGalaxyConfidential41补充StabilityAnalysiswithBodePlotsBroadGalaxyConfidential42ENDQ&ABroadGalaxyConfidential43课后练习要求：Bandgap2_2v调试，电路如下：BroadGalaxyConfidential44课后练习要求指标要求：VREF直流范围：0.7V~0.9V;IREF直流范围：10uA~50uAVREF温度系数：16ppm,-40DEG~120DEG;VREF电源电压扫描：,VDD=1.6V~2VIREF温度扫描:IREF电源电压扫描：闭环STB仿真：phasemargin60degreegainmargin10dBmVVREF1AIREF1AIREF1BroadGalaxyConfidential45课后练习要求：Bandgap3_3v调试，电路如下：BroadGalaxyConfidential46课后练习要求指标要求：VREF直流范围：1.1V~1.3V;IREF直流范围：50uA~100uAVREF温度系数：14ppm,-40DEG~120DEG;VREF电源电压扫描：,VDD=3V~3.3VIREF温度扫描:IREF电源电压扫描：闭环STB仿真：phasemargin60degreegainmargin10dBmVVREF1AIREF1AIREF1BroadGalaxyConfidential47小结直流仿真，直流工作点，MOS工作状态判定；电流镜仿真，复制电流关系；偏置电路设计；电压基准设计：正温电压+负温电压=温度无关电压；电流基准设计：正温电流+负温电流=温度无关电流；两级运放设计；直流温度扫描方法；直流电源电压扫描方法；闭环电路STB仿真方法；电流镜MOS管，成比例的BJT管，在版图上的match.BroadGalaxyConfidential48预习要求比较器电路基础；VCO与PLL电路基础；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；参