东南大学：CMOS模拟集成电路实训之电压基准的设计（PPT讲稿）

cMoS模拟集成电路实训 之电压基准的设计 cadence 东南大学微电子学院 IC实验室

CMOS模拟集成电路实训 之电压基准的设计 东南大学微电子学院 IC实验室

内容 带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构 PTAT带隙电压基准 运放输出电压基准 基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计 优化温度特性 实训

内容 • 带隙电压基准的基本原理 • 常用带隙电压基准结构 – PTAT带隙电压基准 – 运放输出电压基准 • 基准电路的发展方向 • PTAT带隙电压基准的设计 • 优化温度特性 • 实训

带隙电压基准的基本原理 带隙电压基准的基本原理:a.+B aT' aT' 0V:>0 BEF=a.V+B·V <0 基准电压表达式: reF=av+ B·V

带隙电压基准的基本原理 带隙电压基准的基本原理： 0 V V T + +          0 V V T − −             V V V REF =  +    + − 基准电压表达式 ： V V V REF =  +    + − = 0   +    + − T V T V  

V+,V-的产生原理 利用了双极型晶体管的两个特性: 基极发射极电压(VB)与绝对温度成反比 在不同的集电极电流下,两个双极型晶体管的基极发 射极电压的差值(△VB)与绝对温度成正比 双极型晶体管构成了带隙电压基准的核心

V+,V-的产生原理 利用了双极型晶体管的两个特性： ·基极-发射极电压（VBE）与绝对温度成反比 ·在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发 射极电压的差值（ΔVBE）与绝对温度成正比 双极型晶体管构成了带隙电压基准的核心

负温度系数电压 双极型晶体管,其集电极电流(Lc)与基极发射极电压(vg)关系为 ex BE/′T 其中,Vx=k/q。利用此公式推导得出vg电压的温度系数为 BE BE (4+m)r-E8 aT T 其中,m-15,Eg=1.12V是硅的带隙能量。当VB≈750mV, T=300K时,OVBE/O7≈-1.5m/°C VgE的温度系数本身就与温度有关

负温度系数电压 ·双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为 其中， 。利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为 其中， ， 是硅的带隙能量。当 ， 时， 。 · VBE的温度系数本身就与温度有关 exp( ) C S BE T I I V V = (4 ) VBE V m V E q BE T g T T  − + − =  m  −1.5 1.12 E eV g = 750 V mV BE  T K = 300 1.5 V T mV C BE    −  V kT q T =

正温度系数电压 如果两个同样的晶体管(ls=ls2=ls,Is为双极型晶体管饱和 电流)偏置的集电极电流分别为nl0和I,并忽略它们的基极电流, 那么它们基极发射极电压差值为 BE BEl BE2 10 V Inn 因此,VE的差值就表现出正温度系数 O O△J BE==Inn>0 aT 这个温度系数与温度本身以及集电极电流无关

正温度系数电压 ·如果两个同样的晶体管（IS1= IS2= IS，IS为双极型晶体管饱和 电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流， 那么它们基极-发射极电压差值为 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。  = − V V V BE BE BE 1 2 0 0 1 2 ln ln ln T T T s s nI I V V V n I I = − = ln 0 VBE k n T q  =   + ΔV - BE nI0 I0 VDD Q1 Q2

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 REF aVBE B(rInn) 因为OB/OT≈-1.5m/%C,aV/OT≈0.087mV/°C,因此令a=1,只 要满足上式,便可得到零温度系数的VEF (lnn)(0.087m/°C)=1.5m/°C 即为 fu(nn)≈172

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： 因为 ， ，因此令 ，只 要满足上式，便可得到零温度系数的VREF。 即为 ( ln ) V V V n REF BE T = +   1.5 / V T mV C BE    −  0.087 / V T mV C T      =1  (ln )(0.087 / ) 1.5 / n mV C mV C  =   (ln ) 17.2 n 

内容 带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构 PTAT带隙电压基准 运放输出电压基准 基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计 优化温度特性 实训

内容 • 带隙电压基准的基本原理 • 常用带隙电压基准结构 – PTAT带隙电压基准 – 运放输出电压基准 • 基准电路的发展方向 • PTAT带隙电压基准的设计 • 优化温度特性 • 实训

常用带隙电压基准结构 两种常用结构 先产生一个和绝对温度成正比(PTAT)的电流,再通过电 阻将该电流转变为电压,并与双极型晶体管的VB相加,最 终获得和温度无关的基准电压 通过运算放大器完成VB和AVB的加权相加,在运算放大器 的输出端产生和温度无关的基准电压

常用带隙电压基准结构 两种常用结构 • 先产生一个和绝对温度成正比（PTAT）的电流，再通过电 阻将该电流转变为电压，并与双极型晶体管的VBE相加，最 终获得和温度无关的基准电压 • 通过运算放大器完成VBE和ΔVBE的加权相加，在运算放大器 的输出端产生和温度无关的基准电压

内容 带隙电压基准的基本原理 常用带隙电压基准结构 PTAT带隙电压基准 运放输出电压基准 基准电路的发展方向 PTAT带隙电压基准的设计 优化温度特性 实训

内容 • 带隙电压基准的基本原理 • 常用带隙电压基准结构 – PTAT带隙电压基准 – 运放输出电压基准 • 基准电路的发展方向 • PTAT带隙电压基准的设计 • 优化温度特性 • 实训