帶隙基準(zhǔn)電壓源BandGap的調(diào)節(jié)與理論分析

BandGap電路調(diào)試總結(jié)當(dāng)前第1頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)目錄1.BandGap工作原理2.靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試3.BandGap電路仿真4.電路仿真結(jié)果分析當(dāng)前第2頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)1.BandGap工作原理BandGap電路的設(shè)計(jì)目的：產(chǎn)生一個(gè)與電源和工藝無關(guān)，具有確定溫度特性的直流電壓或者電流。BandGap電路的主要設(shè)計(jì)任務(wù)：與電源無關(guān)的偏置；與溫度關(guān)系變化的確定。帶隙電壓基準(zhǔn)的基本原理：將兩個(gè)擁有相反溫度系數(shù)的電壓以合適的權(quán)重相加，最終獲得具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)前第3頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)負(fù)溫度系數(shù)電壓雙極晶體管的基極-發(fā)射極或者說是pn結(jié)二極管具有負(fù)溫度系數(shù)。當(dāng)=750mv，T=300時(shí)，=-1.5

的溫度系數(shù)與溫度有關(guān)。當(dāng)前第4頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)正溫度系數(shù)電壓若兩個(gè)雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么基極-發(fā)射極電壓的差值就與絕對(duì)溫度成正比。的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)。當(dāng)前第5頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓利用雙極晶體管的正，負(fù)溫度系數(shù)電壓，可設(shè)計(jì)出一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)。令=1，=-1.5對(duì)上式兩邊分別對(duì)溫度T求導(dǎo)，得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)：當(dāng)前第6頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)BandGap電路原理圖當(dāng)前第7頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)與電源無關(guān)的偏置電路BandGap偏置電路主要通過改變電阻R1的值使得電流穩(wěn)定在18uA左右，NM12采用二極管的連接方式得到一個(gè)對(duì)電源Vdd不敏感的偏置電流Iref，通過NM13的尺寸比例將Iref自舉到Iout，使得Iref和Iout滿足一定的比例關(guān)系并與Vdd的變化無關(guān)。PM14，PM15與PM18，PM19啟動(dòng)后續(xù)整個(gè)電路。當(dāng)前第8頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)Cascode電路結(jié)構(gòu)為保證NM20與NM21處的電壓保持跟隨，采用Cascode結(jié)構(gòu)使得Vo1與Vo2穩(wěn)定在近似相等的電壓，那么有：產(chǎn)生一個(gè)和絕對(duì)溫度成正比的PTAT電流。這里的Cascode結(jié)構(gòu)主要是近似為一個(gè)電路源使得流過Q4，Q5這兩條電路的電流相等使得Vo1與Vo2穩(wěn)定在近似相等的電壓，所以在調(diào)試cascode電路時(shí)要使輸出電阻盡可能的大。當(dāng)前第9頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)BandGap電壓的產(chǎn)生產(chǎn)生的PTAT電流通過由PM23-PM26組成的電流鏡電路復(fù)制到到基準(zhǔn)電壓輸出端，可以得到：根據(jù)上式：是正溫度系數(shù)電壓，是負(fù)溫度系數(shù)電壓，通過調(diào)試R3與R2的比值，將兩個(gè)擁有相反溫度系數(shù)的電壓以合適的權(quán)重相加，最終獲得具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)前第10頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)2.靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試首先，確保部分管子工作在飽和區(qū)，不受電源電壓變化的影響。然后，尋找合適的雙極晶體管比例，這里給出Q1，Q2，Q3，Q4，Q5為2:2:2:16:16。再次，尋找合適的電阻比例：因?yàn)閚=8，可以求得出電阻比例。最后調(diào)試各條支路的管子使得電路工作在合適的電流。當(dāng)前第11頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)3.BandGap電路仿真首先：對(duì)調(diào)試好BandGap電路進(jìn)行啟動(dòng)電路仿真：在輸入端加上一個(gè)0.01us,3.3V的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)BandGap電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，得到如圖所示的曲線，表明BandGap電路順利啟動(dòng)。當(dāng)前第12頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)DC仿真完成啟動(dòng)電路的仿真測(cè)試后，設(shè)置好DC仿真環(huán)境，溫度掃描在-40度到120度，電源電壓為3.3V，以及restypical，captypical，diotypical，biotypical，tt的工藝模型下。完成DC直流仿真后，用計(jì)算器計(jì)算出BandG電路的溫漂系數(shù)。當(dāng)前第13頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)3.3V時(shí)基準(zhǔn)電壓曲線如圖所示為3.3V時(shí)，BandGap輸出電壓曲線，可以看到Vmax=1.251，Vmin=1.249.計(jì)算得出溫漂系數(shù)為9.434當(dāng)前第14頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)不同電壓的溫度掃描圖示為電源電壓為3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，tt的工藝模型下的DC仿真?？梢钥闯觯敵鲭妷簽?.235V到1.265V之間，溫漂系數(shù)為當(dāng)前第15頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)不同電壓的溫度掃描圖示為電源電壓為3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，ff的工藝模型下的DC仿真。可以看出，輸出電壓為1.255V到1.275V之間，溫漂系數(shù)為當(dāng)前第16頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)不同電壓的溫度掃描圖示為電源電壓為3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，ss的工藝模型下的DC仿真?？梢钥闯?，輸出電壓為1.225V到1.25V之間，溫漂系數(shù)為當(dāng)前第17頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)不同電壓的溫度掃描圖示為電源電壓為3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，sf的工藝模型下的DC仿真?？梢钥闯觯敵鲭妷簽?.24V到1.27V之間，溫漂系數(shù)為當(dāng)前第18頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)不同電壓的溫度掃描圖示為電源電壓為3.0V，3.3V，3.6V，restypical，captypical，diotypical，biotypical，fs的工藝模型下的DC仿真。可以看出，輸出電壓為1.23V到1.26V之間，溫漂系數(shù)為當(dāng)前第19頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)3.3V不同工藝角的掃描圖示為電源電壓為3.3Vrestypical，captypical，diotypical，biotypical，（tt，ss，ff，sf，fs）的工藝模型下的DC仿真?？梢钥闯觯敵鲭妷簽?.235V到1.265V之間。溫漂系數(shù)均小于20ppm，（ss情況下為26ppm）當(dāng)前第20頁\共有21頁\編于星期六\5點(diǎn)BandGap電路仿真結(jié)果分析從BandGap電路的仿真結(jié)果分析得出，電路在3.3V時(shí)候工作的比較穩(wěn)定，輸出的基準(zhǔn)電壓為1.235V到1.265V之間，溫漂系數(shù)低于20ppm（但是ss情況下為26），當(dāng)電源電壓為3.0V或者3.6V時(shí)，在其他的不同工藝角（tt，ff，ss，sf，fs