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1、摘 要基准电压源是模拟电路设计中广泛采用的一个关键的基本模块。所谓基准电压源就是能提供高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，但是它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。本文的目的便是设计一种基于CMOS带隙基准电压源。本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状及趋势。然后详细介绍了MOS器件的基本原理、基准电压源电路原理，并对不同的带隙基准源结构进行了比较。在带隙基准电压基准电路设计中，首先对所采用的h05mixddst02v13库中的阈值电压、沟道长度调制系数、跨导参数进行提取，对衬底pnp管的温度特性进行分析，再对电路中的各个管子的宽长比、电容、
2、电阻值进行手动计算，最后通过Hspice软件对电路进行仿真验证。模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性，0100温度范围内，基准电压温度系数大约为0.25mV/，输出电压为1.0V。关键词：MOS器件；带隙基准电压源；参数提取；温度系数；输出电压； AbstractThe reference voltage source is a vital basic module is widely used in analog circuit design. The reference voltage source is able to provide high stability referen
3、ce amount of power, the reference source and power supply, process parameters and the temperature is very small, but its temperature stability and anti-noise performance affects the precision and performance of the whole system. The purpose of this paper is the design of a CMOS bandgap voltage refer
4、ence based on.This paper first introduces the present situation and development trend of voltage reference at home and abroad. And then introduces the basic principle of MOS device, reference voltage source circuit principle, and the bandgap structure were compared with different. In the bandgap vol
5、tage reference circuit design, first on the threshold voltage, the h05mixddst02v13 Library of the channel length modulation coefficient, transconductance parameter extraction, analysis of temperature characteristics of a substrate of PNP pipe, the pipe of each circuit in the ratio of width to length
6、, capacitance, resistance value for manual calculation, finally the circuit was simulated by Hspice software.Simulation results show that, circuit has good temperature performance, 0 100 temperature range, the temperature coefficient of the reference voltage is about 0.25mV/ , the output voltage is
7、1.0V.Keywords: MOS device; bandgap voltage reference; extraction; output voltage temperature coefficient;III目录0 前言11 MOS器件原理31.1基本概念31.1.1 MOSFET的结构31.2 MOS的I/V特性41.2.1 阈值电压41.3 二级效应51.3.1 体效应51.3.2 沟道长度调制61.3.3 亚阈值导电性61.3.4 电压限制72 基准电压源电路原理82.1基准电压源的结构82.1.1直接采用电阻和管分压的基准电压源82.1.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源92
8、.1.3带隙基准电压源112.2带隙基准电压源的基本原理112.2.1与绝对温度成正比的电压122.2.2负温度系数电压VBE132.3带隙基准源的几种结构142.3.1 widlar带隙基准源142.3.2 Brokaw带隙基准源152.3.3使用横向BJT的CMOS带隙基准源153 基准电压源电路设计173.1基准源的整体结构173.2参数提取173.2.1 MOS管阈值电压的提取173.2.2 MOS管的跨导参数193.2.3 MOS管的沟道长度调制效应系数203.3运算放大器电路结构以及尺寸计算223.3.1运算放大器结构及指标223.3.2根据运放手动计算233.4带隙电压基准电路结
9、构以及计算303.4.1带隙电压基准核心电路303.4.2 Vbe结的温度系数及结电压的计算303.4.3 Vbe的温度系数计算313.4.4带隙电路零温度系数的计算334 电路仿真344.1仿真工具介绍344.2失调电压仿真验证344.3输入共模范围354.4幅频相频特性364.5带隙电压基准核心电路仿真365 结论37致谢38参考文献39附录 A：40附录 B：46附录 C：55辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 前言基准电压源(Reference Voltage)是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统
10、的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或是为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此也可以说性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也就意味着系统对其中基准电压源模块提出了更高的要求。另外，基准电压源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精确度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源1。近年来，国内外
11、对CMOS工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表了大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。1低电压工作的基准电压源SOC(Signal Operation Control)的主流工艺是CMOS工艺,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(0.13um)、0.9V(0.09um)等电源电压已经得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1.2V左右，所以，对于电源电压低于1.2V的基准设计必须采用特殊的电路结构，许
12、多文献2都提出了输出基准电压低于1.2V的电路结构。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的电路结构和MOS管衬底效应造成的高阈值电压是限制工作电压的主要因素。2低温度系数的基准电压源低温度系数的基准电压源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说对于高精度的A/D、D/A结构，高精度的电流源、电压源等。对于普通的一阶温度补偿的带隙结构的温度系数一般在20ppm/50ppm/，因此，设计低温度系数的基准电压源一般必须进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括环路曲率补偿法，非线性曲率补偿法，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法。3高电源抑制比的基准电压源在数模混
13、合集成电路中，电路中可能存在高频噪声和数字电路产生的噪声对模拟电路产生信号干扰的现象。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源抑制比性能，有些设计中使用运放结构的带隙基准技术，在直流频率时的PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比)可达-110dB，在1MHz的PSRR达-70dB;而使用无运放负反馈结构的带隙基准，在1KHz的PSRR为-95dB，在1MHz的PSRR为-40dB。4低功耗的基准电压源低功耗设计对于依靠电池工作的便携设备具有非常重要的意义，低功耗电路可以延长电池的使用寿命。有些设计中的电路功耗可达220uW。传统的基准源是
14、基于稳压二极管的原理制成，但由于它的击穿电压一般都大于现在电路中所用的电源，已经不再常用。20世纪70年代初，Widlar首先提出带隙基准电压源的概念和基本设计思想，由于其在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，得到了广泛的应用。现在拥有带隙基准源的集成电路已广泛应用于军事装备、通讯设备、汽车电子、工业自动化控制及消费类电子产品等领域。随着微电子技术的不断发展，现阶段常用集成电路的制作工艺主要有两种: 双极工艺和CMOS工艺。双极性工艺是集成电路中最早成熟的工艺，其集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，
15、由于CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大等优点，已经逐渐发展成为当代VLSI(超大规模集成电路)工艺的主流工艺技术，因此，在本文在设计高精度的带隙基准电压源时，就采用了CMOS工艺技术。 为了设计一种高精度CMOS带隙基准源，本文将首先着手于研究带隙基准源的原理和提高带隙基准源性能的方法，再对高精度的CMOS带隙基准源进行完整设计分析，然后借助HSPICE对电路进行模拟仿真，包括带隙基准源的核心电路、电源抑制比电路、快速启动电路等。本文的主要内容如下：1）介绍CMOS带隙基准源的现状、发展趋势以及本课题研究目的意义；2）介绍MOS器件基本原理，基准源的分类，详细分析带隙基准源的基本原理和几种基本框架，并分析其优缺点；3）对CMOS带隙基准源进行设计分析，参数提取；4）利用软件进行仿真；1 MOS器件原理在现代的IC工业中，必须充分地掌握半导体器件的知识。而这一点对于模拟电路的设计比对于数字电路更为重要，因为在模拟电路设计中，我们不能把晶体
