带隙基准电压源设计.docx

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带隙基准电压源设计

哈尔滨理工大学

软件学院

课程设计报告

课程大三学年设计

题目带隙基准电压源设计

专业集成电路设计与集成系统

班级集成10-2班

学生唐贝贝

学号1014020227

指导老师董长春

2013年6月28日

目录

一.课程设计题目描述和要求…………………………………………

二.课程设计报告内容…………………………………………………

2.1课程设计的计算过程………………………………………….

2.2带隙电压基准的基本原理…………………………………….

2.3指标的仿真验证结果………………………………………….

2.4网表文件………………………………………………………

三.心得体会……………………………………………………………

四．参考书目………………………………………………………….

一．课程设计题目描述和要求

1.1电路原理图：

（1）.带隙基准电路

（2）.放大器电路

1.2设计指标

放大器：

开环增益：

大于70dB

相位裕量：

大于60度

失调电压：

小于1mV

带隙基准电路：

温度系数小于10ppm/

1.3要求

1>手工计算出每个晶体管的宽长比。

通过仿真验证设计是否正确，是否满足指标的要求，保证每个晶体管的正常工作状态。

2>使用Hspice工具得到电路相关参数仿真结果，包括：

幅频和相频特性（低频增益，相位裕度，失调电压）等。

3>每个学生应该独立完成电路设计，设计指标比较开放，如果出现雷同按不及格处理。

4>完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表，仿真结果。

5>相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看HSPICE手册。

2.课程设计报告内容

由于原电路中增加了两个BJT管，所以Vref需要再加上一个Vbe，导致最后结果为

，最后Vref大概为1.2V，且电路具有较大的电流，可以驱动较大的负载。

2.1课程设计的计算过程

1>M8，M9，M10，M11，M12，M13宽长比的计算

设Im8=Im9=20uA（W/L）8=（W/L）9=20uA

为了满足调零电阻的匹配要求，必须有Vgs13=Vgs6

->因此还必须满足（W/L）13=（Im8/I6）*（W/L）6

即（W/L）13/（W/L）6=（W/L）9/（W/L）7取（W/L）13=27

取（W/L）10=（W/L）11=（W/L）13=27

因为偏置电路存在整反馈，环路增益经计算可得为1/（gm13*Rb），若使环路增益小于1，知（W/L）12/（W/L）13>4故取（W/L）12=4*（W/L）13=107

2>取CL=2pf

3>为了满足60DB的相位裕度的要求：

Cc>0.22CL=0.44pf由于设计需求取Cc=4pf

4>为了版图中的对称性去I5=53uA，I6=107uA

5>单位增益带宽11MHz

UGB=gm1/Cc=11MHz*2π

又gm6/CL=2.2*UGB=24MHz*2π

计算得gm1=44usgm6=48us取gm1=69usgm6=55us

6>为了消去零点，即将零点移至无穷远处，则调零电阻满足以下公式：

gm6*R2=1得R2=1.44k

7>M1与M6宽长比的计算

由gm1=[2Kp（W/L）1*I1]^0.5取（W/L）2=（W/L）1=20

由gm6=[2Kn（W/L）6*I6]^0.5取（W/L）6=107

8>M3，M4，M5，M7宽长比的计算

假设过驱动电压Vov=0.2v

I3=I4=0.5Kn（W/L）Vov*Vov取（W/L）3=（W/L）4=27

由偏置电流源与电流的比例关系得：

（W/L）5=53（W/L）7=107

9>由Vgs13=Vgs12+Im8*RsVgs=

得Rs=3.2k

2.2带隙电压基准的基本原理

带隙电压基准的基本原理：

基准电压表达式：

V+,V-的产生原理：

（1）利用了双极型晶体管的两个特性：

基极-发射极电压（VBE）电压与绝对温度成反比

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

（2）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（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

可得：

（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：

（4）带隙基准电路参数的设计

假设n=8，M=1。

M为M5与M1234电流大小之比。

并设M1234宽长比为80/3。

则

4.13,假设R1=4K,R2=18.4K。

经过调试得知不同大小的R2与R1会影响带隙基准的温度系数以及电路整体的电流大小，影响后续驱动负载能力，调试过程中会存在一定误差，例如18.4/4=4.6与计算结果有一定差距，但是仿真出的结果较好所以我们使用上述参数。

2.3指标的仿真验证结果

（1）放大器增益带和相位裕度的仿真

放大器的增益是104.54DB;单位增益带宽是5.9474M;相位裕度是62.141度

（2）失调电压

失调电压为Vos=0V

（3）带隙基准准度

温度系数TCf是

=800u[（100*（1.2109+1.2105）/2）]=6.6ppm/

2.4网表文件

*sourcebandgap

M1gv-cvddmp33L=3uW=60u

M2hv+cvddmp33L=3uW=60u

M3gg00mn33L=3uW=80u

M4hg00mn33L=3uW=80u

M5cdvddvddmp33L=3uW=160u

M6VOUTh00mn33L=3uW=320u

M7VOUTdvddvddmp33L=3uw=320u

M8ddvddvddmp33L=3uW=80u

M9advddvddmp33L=3uW=80u

M10daf0mn33L=3uW=80u

M11aab0mn33L=3uW=80u

M12fbk0mn33L=3uw=320u

M13bb00mn33L=3uW=80u

R_R2hm1.44k

CcVOUTm4p

CLmVOUT2p

Rs0k3.2k

*///////////////Bandgap/////////////////

mp1Q2aevoutvddvddmp33W=90uL=3u

mp2v-voutvddvddmp33W=90uL=3u

mp3Q1aevoutvddvddmp33W=90uL=3u

mp4v+voutvddvddmp33W=90uL=3u

mp5vrefvoutvddvddmp33W=90uL=3u

Q2a00Q2aeqvp10

Q2b0Q2aev-qvp10

Q1a00Q1aeqvp10m=8

Q1b0Q1aeQ1beqvp10m=8

Q300q3eqvp10

R1v+Q1be4k

R2Vrefq3e18.4k

*/////////////////////////////////////

vddvdd03.3v

.lib'c:

/lib/hm3524m020025v132.lib'tt

.lib'c:

/lib/hm3524m020025v132.lib'biptypical

.plotv（Vref）

.op

.dctemp-20801*sweepx18.2k18.6k0.01k

.end

3．心得体会

通过学年设计发现跟多自己的不足，该设计更多是在老师和组员的帮助下完成，在模拟设计方面还有很多的路要走，还有很多的只是要学，很多的不足仍需改进。

大学的课程虽然临近结束，可是在接下来的一年的学习不会停止，而且跟多的是靠自己。

四．参考书目

<1>.CMOS模拟集成电路设计（第二版）PhillipE.AllenDouglasR.Holberg著冯军李智群译王志功审校