CMOS课程设计报告

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1、FujianUniversityofTechnologyCMOS课程设计低压CMOS带隙电压基准源设计学院：信息科学与工程学院专业：电了科学与技术班级：电科1101姓名：学号：指导老师：张国成、林金阳日期：2015年1月16日一、设计目的在模数转换器(ADC)、模转换器(DAC)、数动态存储器(DRAM)、Flash存储器等集成电路设计中，低温度系数、低功耗、高电源抑制比(PSRR)的基准源(Reference)设计十分关键。随着深亚微米集成电路技术的不断发展，集成电路的电源电压越来越低。目前，1.8V(0.18urn)和1.5V(0.15urn)的电源电压已开始广泛使用，而1.2V(0

2、.13um)和0.9V(0.09um)的电源电压也即将应用于存储器(Memory)及片上系统(SOC)设计，所以研究基于标准CMOS工艺的低压基准源设计是十分必要的。由于带隙基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。二、设计要求运放放大倍数大丁-60db带隙基准输出电压小于50ppm三、设计原理1.带隙基准电压源的原理图1(a)为带隙基准电压源的原理示意图。双极晶体管的基极2发射极电压Vbe(P"结二极管的正向电压)，具有负温度系数，其温度系数在室温下为-2.2mV/Ko而热电压Vt具有正温度系数，其温度系数在室温下为+0.085mV/K[3

3、]o将Vt乘以常数K并和Vbe相加可得到输出电压VrefvREF=Vbe+KVt(1)将式(1)对温度T微分并代入Vbe和VT的温度系数可求得K,它使Vref的温度系数在理论上为0oVbe受电源电压变化的影响很小，因而带隙基准电压的输出电压受电源的影响也很小。图1(b)是典型的CMOS带隙电压基准源电路。两个PNP管Q、Q2的基极■发射极电压差VVbeVVbe=Vbe2・Vbei=vTln(J2/J1)(2)(2)式中,JI和J2是流过Qi和Q2的电流密度。运算放大器的作用使电路处于深度负反馈状态，使得节点1和节点2的电压相等。即Vbe2="R1+Vbei⑶4Vbe=yBE2・Vbei=

4、厶尺i(4)TAfW(a)Cb>图1传统的带隙基准电压源：(a)带隙基准源原理图；(b)典型的带隙基准源电路由图1(b)可得VREF=VBE2+HR2(5)通过M1和M2的镜像作用，使得/I和12相等，结合式⑷和式(5)可得Vref=VBE2+zAVBe/?2/R1=VBe2+VtR2/R1In(J2/J1)=VBe2+Vt/?2/R1In(A1/A2)(6)⑹式中,力］和仏是Qi和Q2的发射极面积。比较式(5)和(1),可得常数KK=V7R2/R1In(A1/A2)(7)在实际设计屮,K值即为(7)式表示。传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压，但其电源电压较高(大于3V),且基准输出

5、电压范围有限(1.2V以上)。要在0.9〜1.8V的电源电压下得到1.2V以下的精确基准电压，就必须对基准源结构上进行改进和提高。1.CMOS带隙电压基准源(BGR)基于TSMC0.35umCMOS工艺(NMOS阈值电压为0.536V,PMOS的阈值电压为-0.736V),采用一级温度补偿、电流反馈技术设计的低压带隙基准源电路(BGR)如图2所示，其工作原理与传统的带隙基准源电路相似。低压带隙基准源的电流源不仅用于提供基准输出所需的电流，也用于产生差分放大器所需的电流源偏置电压，简化了电路和版图设计。为了与CMOS标准工艺兼容,PNP管采用集电极接地结构(61,Q2和Qi的发射极面积的比

6、率为N,流过Q］和Q2的电流相等，这样zAVbe就等于VT/n(N)o流过电阻R1的电流74是与热力学温度成正比的。流过M2、M3、M4的电流相等(人=，2=厶)。A=VTln(N)/R1+VBe//?3图2带隙基准源电路(BGR)Fig2Circuitstructureofbandgapreference(BGR)输出电压/REFRi(9)=］「MW、+%』AIJ电路中温度补偿系数K&■盲7册＞{1Q}通过调节/?4的值，可以调整输出电压VREF的大小。在电源电压变化时,M2、M3和M4的漏源电压值保持不变，与电源电压无关，其栅极电压由运放调节。为了降低电路的复杂度，应用电流反馈原理，

7、运放采用简单的一阶运放，由于VDD的变化多于GND的变化，故运放的输入采用NMOS的差分对结构(VDD和NM0S差分对Z间有电流源隔离)。因为整个电路在低压下工作，故整个电路设计的重点是要保证低压下运放的正常工作。由于带隙基准源存在两个电路平衡点，即零点和正常工作点。当基准源工作在零点时，节点XI、X2的电压等于零，基准源没有电流产生。启动电路的目的就是为了避免基准源工作在不必要的零点上。本文设计了图2所示的启动电路，电路由MlkM