CMOS模拟集成电路设计带隙基准提纲1、概述2、与电源无关的偏置3、与温度无关的基准4、PTAT电流的产生5、恒定Gm偏置8/11/20242带隙基准1、概述基准目的：建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。与温度关系：与绝对温度成正比（PTAT）常数Gm特性与温度无关8/11/20243概述2、与电源无关的偏置电流镜与与电源有关电源有关电阻电阻I IREFREF？n n与电源无关的电流镜互相复制互相复制“自举自举” ”问题：电流可以是任意的！问题：电流可以是任意的！增加一个约束：增加一个约束：R RS S忽略沟道长度调制效应，忽略沟道长度调制效应，8/11/20244与电源无关的偏置忽略体效应，忽略体效应，则则VGS1VGS2消除体效应的方法：消除体效应的方法：在在N N阱工艺中，在阱工艺中，在P P型管（型管（PMOSPMOS）的上方加入电阻，的上方加入电阻，而而PMOSPMOS的源和衬连接在一起。的源和衬连接在一起。 如果沟道长度调制效应可以忽略，则上述电路可以如果沟道长度调制效应可以忽略，则上述电路可以表现出很小的电源依赖性。因此，所有晶体管应采表现出很小的电源依赖性。因此，所有晶体管应采用长沟器件。用长沟器件。8/11/20245与电源无关的偏置“简并”偏置点电路可以稳定在两种不同的工作状态的一种。电路可以稳定在两种不同的工作状态的一种。 I Ioutout 0 0 电路允许电路允许I Ioutout=0=0增加启动电路，使电路在上电时摆脱简并偏置点。增加启动电路，使电路在上电时摆脱简并偏置点。启动电路的例子：启动电路的例子：条件：条件：上电时提供通路：上电时提供通路：V VTH1TH1+V+VTH5TH5+|V+|VTH3TH3|V|V|VDDDD8/11/20246与电源无关的偏置3、与温度无关的基准3.1 负温度系数电压对于一个双极器件，对于一个双极器件，而而计算计算V VBEBE的温度系数（的温度系数（假设假设I IC C不变不变），），则，则，例，例，VBE 750mV，T=300K时，时， VBE/ T -1.5mV/Km -3/2， VT=kT/q，硅带隙能量硅带隙能量Eg 1.12eV8/11/20247与温度无关的基准3.2 正温度系数电压如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基基极极- -发射极电压差值发射极电压差值就与温度成正比。就与温度成正比。则则例例1 1：如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流：如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为分别为nInI0 0和和I I0 0，忽略基极电流，则忽略基极电流，则例例2 2：如果如右图的两个晶体管偏置的集电极电：如果如右图的两个晶体管偏置的集电极电流分别为流分别为nI0nI0和和I0I0，忽略基极电流，则忽略基极电流，则则，温度系数为则，温度系数为( (k/q)k/q)lnln(mn(mn) )8/11/20248与温度无关的基准3.3 带隙基准室温下，室温下， 1 1？ 2 2lnlnn n？令令 1 11 1，则，则 2 2lnlnn n17.217.2，则得到零温度系数基准则得到零温度系数基准? ?V VO2O2= =V VBEBE2 2+V+VT Tlnlnn n见右见右图，强制图，强制V VO1O1=V=VO2O2, ,8/11/20249与温度无关的基准3.3 带隙基准（续）采用运算放大器，使采用运算放大器，使X X点和点和Y Y点近似相等。点近似相等。IC2IC28/11/202410与温度无关的基准3.3 带隙基准（续）讨论讨论 与与CMOSCMOS工艺兼容工艺兼容在常规（标准）在常规（标准）N N阱阱CMOSCMOS工艺中，工艺中，可以形成可以形成PNPPNP型晶体管。型晶体管。8/11/202411与温度无关的基准3.3 带隙基准（续）讨论（续）讨论（续） 运放的失调运放的失调不接地，不接地，工艺不兼容工艺不兼容8/11/202412与温度无关的基准3.3 带隙基准（续）讨论（续）讨论（续） 反馈反馈负反馈系数负反馈系数正反馈系数正反馈系数正正反馈应小于负反馈反馈应小于负反馈8/11/202413与温度无关的基准3.3 带隙基准（续）讨论（续）讨论（续） 何谓何谓“ “带隙带隙” ”？=0得到得到 电源高频抑制性能与启动问题电源高频抑制性能与启动问题 曲率校正曲率校正8/11/202414与温度无关的基准4、PTAT电流的产生PTAP电流在在带隙基准电路中，双极型管的偏置电带隙基准电路中，双极型管的偏置电流是与绝对温度成正比（流是与绝对温度成正比（PTATPTAT）电流电流简化的简化的PTAPPTAP电路：电路：见右图，要使见右图，要使I ID1D1=I=ID2D2，必须必须V VX X=V=VY Y, ,因因此此此此电路可以改为产生带隙基准电压的电路，电路可以改为产生带隙基准电压的电路，8/11/202415PTAT电流的产生5、恒定Gm偏置与电源无关的偏置电路是确定跨导的简单电路=(CSfCK)-1因此，因此，采用开关电容电路代替电阻可以达到更高的精度。采用开关电容电路代替电阻可以达到更高的精度。8/11/202416电流镜小结与电源无关的偏置自举互相复制与温度无关的基准负温度系数电路与正温度系数电路相加补偿工艺兼容性；运放失调；反馈；稳定性；启动PTAT电流的产生恒定Gm偏置8/11/202417带隙基准