1、CMOS模拟集成电路设计,带隙基准,2018/12/26,带隙基准,2,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,2018/12/26,概述,3,1、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,2018/12/26,与电源无关的偏置,4,2、与电源无关的偏置,电流镜,与电源有关,电阻IREF？,与电源无关的电流镜,互相复制“自举”,问题：电流可以是任意的！,增加一个约束：RS,忽略沟道长度调制效应，,2018/12/26,与电源无
2、关的偏置,5,忽略体效应，,则,VGS1,VGS2,消除体效应的方法： 在N阱工艺中，在P型管（PMOS）的上方加入电阻，而PMOS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。,2018/12/26,与电源无关的偏置,6,“简并”偏置点,电路可以稳定在两种不同的工作状态的一种。 Iout0 电路允许Iout=0,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： 条件： 上电时提供通路：VTH1+VTH5+|VTH3|VDD,2018/12/26,与温度无关的基准,7,3、与温度无关的基准,3.1 负温度
3、系数电压,对于一个双极器件，,而,计算VBE的温度系数（假设IC不变），,则，,例， VBE750mV，T=300K时， VBE/ T -1.5mV/K,m-3/2， VT=kT/q， 硅带隙能量Eg 1.12eV,2018/12/26,与温度无关的基准,8,3.2 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，那么它们的基极-发射极电压差值就与温度成正比。,则,例1：如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为nI0和I0，忽略基极电流，则,例2：如果如右图的两个晶体管偏置的集电极电流分别为nI0和I0，忽略基极电流，则,则，温度系数为(k/q)ln(mn),2018/12/26
4、,与温度无关的基准,9,3.3 带隙基准,室温下，,1？ 2lnn？,令11，则 2lnn17.2，则得到零温度系数基准,VO2=VBE2+VTlnn,见右图，强制VO1=VO2,2018/12/26,与温度无关的基准,10,3.3 带隙基准（续）,采用运算放大器，使X点和Y点近似相等。,2018/12/26,与温度无关的基准,11,3.3 带隙基准（续）,讨论 与CMOS工艺兼容,在常规（标准）N阱CMOS工艺中，可以形成PNP型晶体管。,2018/12/26,与温度无关的基准,12,3.3 带隙基准（续）,讨论（续） 运放的失调,2018/12/26,与温度无关的基准,13,3.3 带隙基
5、准（续）,讨论（续） 反馈,负反馈系数,正反馈系数,正反馈应小于负反馈,2018/12/26,与温度无关的基准,14,3.3 带隙基准（续）,讨论（续） 何谓“带隙”？,=0,得到,电源高频抑制性能与启动问题 曲率校正,2018/12/26,PTAT电流的产生,15,4、PTAT电流的产生,PTAP电流,在带隙基准电路中，双极型管的偏置电流是与绝对温度成正比（PTAT）电流,简化的PTAP电路： 见右图，要使ID1=ID2，必须VX=VY,因此,此电路可以改为产生带隙基准电压的电路，,2018/12/26,电流镜,16,5、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，,采用开关电容电路代替电阻可以达到更高的精度。,2018/12/26,带隙基准,17,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,
