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1、1Analog IC Design BroadGalaxy Electronics Ltd.July 2009BroadGalaxy Confidential21.电压基准和电流基准的作用；电压基准和电流基准的作用；2.电压基准结构选择；电压基准结构选择；3.与温度无关的电压基准与温度无关的电压基准bandgap；4.实际实际bandgap电路设计；电路设计；5.实际实际bandgap电路仿真；电路仿真；6.电流基准的设计：电流基准的设计：PTAT电流电流/与温度无关电流；与温度无关电流；7.补充内容：闭环电路的稳定性判据；补充内容：闭环电路的稳定性判据；8.课后练习要求。课后练习要求。Out
2、linebandgap参考电压源电路设计与仿真参考电压源电路设计与仿真BroadGalaxy Confidential3电压基准和电流基准的作用l模拟电路的设计中须广泛的应用到电压基准和电流基准，它们是直流量，为核心电路提供偏置，建立直流工作点；l一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在着一定的波动，而模拟电路对偏置电压的稳定性要求较高，因此一般会使用一个参考电压源，它将电源电压转化为一个具有良好电压稳定性和温度稳定性的电压，以提供良好的偏置。l同时大部分电路也需要一个参考电流源以提供偏置，常见的有不随温度变化的电流和与温度成正比的电流；BroadGalaxy Confidential4电压基
3、准和电流基准的作用l常用的基准有：常用的基准有：与温度无关的基准电压；与温度无关的基准电压；与温度成正比的电流（与温度成正比的电流（PTAT电流）；电流）；与温度无关的电流与温度无关的电流.BroadGalaxy Confidential5电压基准结构选择电压基准结构选择l灵敏度S：灵敏度用于衡量参考电压源的稳压特性，灵敏度越低参考电压源的稳压特性越好。l动态电阻：对于一个二端元件，当其端电压变化时，端电压微小增量与端电流微小增量的比值。动态电阻等于IV曲线上参考点处曲线斜率的倒数。介绍两个概念r=BroadGalaxy Confidential6电压基准结构选择电压基准结构选择l对一个一般的
4、分压网络进行分析，R1、R2为阻性元件。假定电源电压变化了 ,因为R1和R2串联，会以一定比例分配在这两个电阻上，并且两者的电流改变量一致。BroadGalaxy Confidential7电压基准结构选择电压基准结构选择l这说明 在R1、R2上的分配与R1、R2的动态电阻成正比。如果我们能让R1的动态电阻很小，R2的动态电阻很大，则 大部分落在R2上，一小部分落在R1上，对电源电压的灵敏度会大大降低，稳压性能就会得到很大提高。BroadGalaxy Confidential8电压基准结构选择电压基准结构选择l如果选择R1、R2均为线性电阻，则它们的动态电阻与静态电阻相等。电源电压变化量 将仍
5、以原来的静态电阻的分压比分配给R1、R2，最后R1、R2 的分压比与电源电压变化前相比没有改变。所以 与电源电压将等比例变化，S=1，稳压效果不理想。BroadGalaxy Confidential9电压基准结构选择电压基准结构选择l在CMOS电路设计中，最自然的考虑是用非线性电阻元件MOS二极管来替代电阻R1。MOS二极管具有较小的动态电阻。在W/L=2,R2=100K情况下，S的典型值为0.283。BroadGalaxy Confidential10电压基准结构选择电压基准结构选择l在CMOS工艺当中，我们还可以利用寄生的纵向pnp三极管来形成二极管，它比MOS二极管具有更小的动态电阻。典
6、型值S=0.0362。此种结构的稳压性能比较好，现阶段我们都采用此种结构。BroadGalaxy Confidential11bandgap电路设计l这种结构的稳压性能虽好，但是它的温度特性仍然没有得到改善。具有负的温度系数，在室温时大约是-2.2mV/。我们可以通过补偿的方法来改善参考电压源的温度特性。我们期望构造出具有正温度系数的KT项，其中K为正常数，T为热力学温标,使l当温度变化时，与KT具有相反的变化趋势，则可以使 的温度特性得到补偿。BroadGalaxy Confidential12bandgap电路设计l此结构是在一个负反馈运算放大器的两个输入端各接一个稳压电路。两路稳压电路并
7、联。它们并联的总电压作为我们所要的参考电压，连接到运放的输出端输出。电源电压包含在运放里。下面分析一下它的工作原理。BroadGalaxy Confidential13bandgap电路设计（VR3即是我们要构造的KT项）k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，T为绝对温度,A为发射极面积。BroadGalaxy Confidential14bandgap电路设计将VR1带入 VR3，得其中所以因为所以BroadGalaxy Confidential15bandgap电路设计1.K必须独立于温度(用电阻之比)2.K必须独立于电源电压BroadGalaxy Confidential16KT项其实是两只稳
8、压管的be结电压之差，这个电压我们是通过负反馈运放虚短用R1电阻取得的。我们又通过负反馈的作用使得I1/I2固定于R2/R3，从而使得K值独立于温度和电源电压。最后，通过R1与R3的电压线性比例关系得到在R3上的温度补偿电压。bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential17bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential18bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential19bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential20bandgap电路设计BroadGalaxy Confidential21ba
9、ndgap电路仿真l分析目的：直流温度扫描分析是为了分析参考电压源的温度特性，即在扫描温度范围内输出的参考电压值随温度的变化情况。l测试激励：固定供电电压源1.8V，扫描温度参数。扫描范围（-40，120）。直流温度扫描BroadGalaxy Confidential22bandgap电路仿真BroadGalaxy Confidential23bandgap电路仿真l分析目的：分析在工艺参数变化的情况下，输出参考电压的变化情况。l测试激励：corner分析，ff,ss,温度扫描范围（-40，120）。工艺角扫描BroadGalaxy Confidential24bandgap电路仿真l分析目的
10、：直流电压扫描分析是考察在供电电源电压值线性变化的情况下，输出参考电压值的变化情况。l测试激励：施加直流电压线性扫描，供电电压扫描范围（1.6V，2V）。直流电压扫描BroadGalaxy Confidential25bandgap电路仿真lPTAT电流的产生BroadGalaxy Confidential26 目的：l产生与温度和电源都无关的电压基准；l产生与温度无关的电流基准；bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential27bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential28bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confi
11、dential29bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential30bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential31bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential32bandgap电路设计进阶 其它结构的电压基准电路设计l产生与温度和电源无关的电压基准；l产生与温度无关的电流基准；BroadGalaxy Confidential33bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential34bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential35bandgap电路设计进
12、阶BroadGalaxy Confidential36bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential37bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential38bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential39bandgap电路设计进阶BroadGalaxy Confidential40补充补充l闭环电路的稳定性判据BroadGalaxy Confidential41补充补充Stability Analysis with Bode PlotsBroadGalaxy Confidential42ENDQ&ABroadG
13、alaxy Confidential43课后练习要求：课后练习要求：lBandgap2_2v调试，电路如下：BroadGalaxy Confidential44课后练习要求课后练习要求l指标要求：lVREF直流范围：0.7V0.9V;lIREF直流范围：10uA50uAlVREF温度系数：60degree gain margin10dBBroadGalaxy Confidential45课后练习要求：课后练习要求：lBandgap3_3v调试，电路如下：BroadGalaxy Confidential46课后练习要求课后练习要求l指标要求：lVREF直流范围：1.1V1.3V;lIREF直流范
14、围：50uA100uAlVREF温度系数：60degree gain margin10dBBroadGalaxy Confidential47预习要求预习要求l比较器电路基础；lVCO与PLL电路基础；l射频电路基础：史密斯圆图，阻抗匹配，最大功率传输原理，高频电路中电容与电感如何等效；l参考书目：P.E.Allen,“CMOS Analog Circuit Design”,Second Edition,电子工业出版社电子工业出版社 Thomas H.Lee,“The Design of CMOS Raido Frequency Integrated Circuits”(英文版或中文版英文版或中文版)Behzad Razavi，“RF Microelectronics”(英英文版或中文版文版或中文版)