带隙基准设计实例

带隙基准电路的设计

基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。目前, 基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A/ D 和D/ A 转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。它产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响到芯片, 甚至整个控制系统的性能。因此, 设计一个高性能的基准电压源具有十分重要的意义。自1971 年Robert Widla 提出带隙基准电压源技术以后, 由于带隙基准电压源电路具有相对其他类型基准电压源的低温度系数、低电源电压, 以及可以与标准CMOS 工艺兼容的特点, 所以在模拟集成电路中很快得到广泛研究和应用。

带隙基准是一种几乎不依赖于温度和电源的基准技术, 本设计主要在传统电路的基础上设计一种零温度系数基准电路。

一 设计指标：

1、温度系数：T C F 2、电压系数：V C F

=

∆V V ref ∆T

∆V V ref ∆V d d

=

二 带隙基准电路结构：

三 性能指标分析

如果将两个具有相反温度系数（TCs ）的量以适合的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。在零温度系数下，会产生一个对温度变化保持恒定的量V REF 。

V REF = a1V BE + a2V T ㏑(n)

其中, VREF 为基准电压, VBE 为双极型三极管的基极-发射极正偏电压, VT 为热电压。对于a 1和a 2的选择，因为室温下∂V B E

/∂T ≈-1.5m V /K

, 然而∂V T

/∂T ≈+0.087m V /K

,

所以我们可以选择令a 1=1,选择a 2lnn 使得(α2ln n )(0.087m V

α2ln n ≈17.2，表明零温度系数的基准为：

V R E F ≈V B E +17.2V T ≈1.25V

/K ) =1.5m V /K

, 也就是

对于带隙基准电路的分析，主要是在Cadence 环境下进行瞬态分析、dc 扫描分析。

1、瞬态分析

电源电压Vdd=5v时，Vref ≈1.2378V ，下图为瞬态分析图。

2. 电压系数的计算：

下图为基准电压Vref 随电源电压Vdd 变化dc 分析扫描。

扫描电压范围为：3到6v ，基准电压Vref 为1.238v ，保持基本不变。

由图可得啊A 、B 两点的电压差△V=1.2410-1.2350=0.006V；

Vref 值取A 、B 两点的电压平均值，Vref=（1.2410+1.2350）/2=1.238v； 又△Vdd=6-3=3v 则：V C F

=

∆V V ref ∆V d d

=

0.0061.238⨯3

≈1615ppm/v

3、 温度系数的计算：

下图为基准电压Vref 温度temperature 变化的dc 分析扫描。

温度变化范围：-20到130℃变化时，基准电压Vref 的在1.2377到1.2386之间变化，变化幅度为0.9mv ，基本保持不变。

其中△T=150℃， 则T C F

=

∆V V ref ∆T

=

0.0061.238⨯150

≈32.3ppm/℃.

四 Candence 仿真全过程

1、Candence 的启用：

（1）进如Candence 用户界面后，点击鼠标左键，选择Tools －>Terminal ； （2）在鼠标闪亮出输入命令icfb&,点击enter 键，Candence 已启动, 弹出下面对话框；

（3）在上面话框中，选择Fil e －>New－>library，在Name 中输入你所要建库的名字，如在本例中输入“lwl ”，点击ok

（4）选择Fil e －>New－>Cellview，library 选择lwl ；cell name输入单元的名字，如:ref；view name 为schematic ；Tool 选择composer-schematic ；点击

ok ，关闭对话框，此时启动virtuoso 。

2 在Virtuoso 下画电路图

（1）Virtuoso 选择红色标注的选项，弹出Add Instance对话框，library 中选择analogLib 库，cell 中选择你所需要的nmos 、pmos 或电阻等元件。如选择nmos4，点击view 中的symbol ，直接把鼠标拖回Virtuoso 中，点击一下鼠标左键，nmos 关选中。相同的方法选择其他管子，连接电路图。点击check and save ，进行电路检查。

3、瞬态分析

（1）在Virtuoso 中选择Tool s －>Analog Environment,弹出以下对话框

（2）选择setu p －>model librarys,弹出以下对话框

（3）点击browse ，双击../(Go up one directory)，双击Model/，双击0.6mixddct10v04、单击0.6mixddct10v04, 点击ok ，在上面对话框中，section （opt. ）下写入tt ，点击Add －> ok。

（4）点击setup ，stimulation ，弹出下面对话框，选择Global Sources，DC Voltage=5v,点击enabl e －>change－>ok。

（5）在Cadence 对话框中，Analyse s －>choose..－>选中tran ，stop time 中写入20u ，点击ok 。

（6）在Cadence 对话框中，Output －>To be plotted－>select on schematic. 选中输出端口Vref 。

（7）在cadence 对话框中，选择simulatio n －>netlist and run. 进行瞬态分析，以下为瞬态分析电路图。

4 DC分析：Vref 随电源电压Vdd 变化。

（1）在cadence 中，setu p －>stimulation－>global sources,dc voltage中输入Vdd ，点击enable －>change－>ok。

（2） 在cadence 中，点击variable s －>Edit..弹出下面对话框，输入name=Vdd, Value=0,点击Add －>ok。

(3) 在cadence 中，选择Analyse s －>choose,在弹出对话框中选择dc －>Design Variables, name 中填入Vdd ，start=3，stop=6， sweep type 选择linear －>step size －>0.5－>点击ok 。

（4）在cadence 对话框中，选择simulatio n －

>netlist and run.

（5）在cadence 对话框中，选择simulatio n －

>netlist and run.

5 DC分析：Vref 随温度temperature 变化

（1）在cadence 对话框中， setu p －>stimulation－>global sources,dc voltage中输入5，点击enable －>change－>ok.

（2）在cadence 中，点击variable s －>Edit..弹出下面对话框，输入name=temperature,Value=0,点击Add －>ok.

（3）在cadence 中，选择Analyses －>choose,在弹出对话框中选择dc －>Temperature －>start-stop，start=-20，stop=130， sweep type 选择linear －>step size －>10－>点击ok 。

（4）在cadence 对话框中，选择simulation －>netlist and run.

管子参数

The directory: /Home/asic01/org_design/lwl/ref2