复旦大学：《微电子专业》教学资源（学士士学位论文）带隙基准电路的研究

狼旦大摩 本科毕业论文 带隙基准电路的研究 院 系：信息、学院微电子系 专 业：微电子专业 姓 名：吴夏妮 学 号：0372489 指导老师：唐长文

本科毕业论文 带隙基准电路的研究 院 系：信息学院微电子系 专 业：微电子专业 姓 名：吴夏妮 学 号：0372489 指导老师：唐长文

摘要 摘要 本文阐述了Banba和Leung两种基本带隙基准电压源电路的工作原理，分析了Leung 结构对于Banba结构改进的方法，分别对两个电路的参数进行了设计，并仿真其性能，由 此来比较了它们各自的特点。得到的结论是Banba结构的输出电压温度系数更小，而Leung 结构的最低电源电压可以降到IV左右，有益于向低电压设计的发展。仿真采用SMIC 0.l8um标准CMOS Spice工艺模型在Hspice中进行，两者的输出电压都在0.5V左右，温 度系数在105数量级，成品受到其他非理想因素的影响，温度系数会大一点。由于时间 和设备有限，暂时无法实现成成品，所以目前所有指标都是仿真理想值。 关键词—能隙源，低电压，温度无关 ABSTRACT Two bandgap circuits-a Banba one and a Leung one are presented in this work.It also includes the analysis of their working principles and the design of the perimeters,the simulation of their functions.At last,it compares their differences.The former one bears less temperature dependence and the later can lower the minimum supply voltage to about 1V,which could be used for low voltage design.This work is simulated by Hspice with the SMIC 0.18um technology.Both of the reference voltages generated are about 0.5V.Their temperature coefficient is about 10e-5,but the product after manufacture may be influenced by other imperfect aspects.Since the limits of time and devices,I have only got the last product of these circuits,so the results printed are all simulation results. Index Terms-Bandgap reference,low voltage,temperature independent

摘要 摘要 本文阐述了 Banba 和 Leung 两种基本带隙基准电压源电路的工作原理，分析了 Leung 结构对于 Banba 结构改进的方法，分别对两个电路的参数进行了设计，并仿真其性能，由 此来比较了它们各自的特点。得到的结论是 Banba 结构的输出电压温度系数更小，而 Leung 结构的最低电源电压可以降到 1V 左右，有益于向低电压设计的发展。仿真采用 SMIC 0.18um 标准 CMOS Spice 工艺模型在 Hspice 中进行，两者的输出电压都在 0.5V 左右，温 度系数在 10e-5 数量级，成品受到其他非理想因素的影响，温度系数会大一点。由于时间 和设备有限，暂时无法实现成成品，所以目前所有指标都是仿真理想值。 关键词——能隙源，低电压，温度无关 ABSTRACT Two bandgap circuits – a Banba one and a Leung one are presented in this work. It also includes the analysis of their working principles and the design of the perimeters, the simulation of their functions. At last, it compares their differences. The former one bears less temperature dependence and the later can lower the minimum supply voltage to about 1V, which could be used for low voltage design. This work is simulated by Hspice with the SMIC 0.18um technology. Both of the reference voltages generated are about 0.5V. Their temperature coefficient is about 10e-5, but the product after manufacture may be influenced by other imperfect aspects. Since the limits of time and devices, I have only got the last product of these circuits, so the results printed are all simulation results. Index Terms——Bandgap reference, low voltage, temperature independent

目录 目录 第一章引言… 1.1 研究背景与目的 1.2主要工作 1.3论文结构 第二章带隙基准的基本原理与结构， 2.1工作原理 .2 2.2基本结构 3 2.3本论文中采用的两种结构 .5 2.4最新研究成果 .5 第三章BANBA结构的设计 .6 3.1 BANBA结构的原理 .6 3.2 BANBA结构的参数设计 .7 3.3 BANDA结构的HSPICE仿真及优化 11 第四章LEUNG结构的设计 .18 4.1 LEUNG结构的原理 18 4.2 LEUNG参数设计 .20 4.3 LEUNG结构的HSPICE仿真及优化 .21 第五章比较及改进想法」 .25 5.1参数指标的比较 .25 5.2进一步比较与分析说明 .25 第六章总结 .27 6.1论文小结 .27 6.2应用与未来展望 .27 参考文献： 28 致谢. …29

目录 目录 第一章 引言....................................................................................................................................1 1.1 研究背景与目的................................................................................................................1 1.2 主要工作............................................................................................................................1 1.3 论文结构............................................................................................................................1 第二章 带隙基准的基本原理与结构............................................................................................2 2.1 工作原理................................................................................................................................2 2.2 基本结构................................................................................................................................3 2.3 本论文中采用的两种结构....................................................................................................5 2.4 最新研究成果........................................................................................................................5 第三章 BANBA 结构的设计 .....................................................................................................6 3.1 BANBA 结构的原理................................................................................................................6 3.2 BANBA 结构的参数设计........................................................................................................7 3.3 BANDA 结构的 HSPICE 仿真及优化....................................................................................11 第四章 LEUNG 结构的设计...................................................................................................18 4.1 LEUNG 结构的原理..............................................................................................................18 4.2 LEUNG 参数设计..................................................................................................................20 4.3 LEUNG 结构的 HSPICE 仿真及优化....................................................................................21 第五章 比较及改进想法..............................................................................................................25 5.1 参数指标的比较..................................................................................................................25 5.2 进一步比较与分析说明......................................................................................................25 第六章 总结..................................................................................................................................27 6.1 论文小结..............................................................................................................................27 6.2 应用与未来展望..................................................................................................................27 参考文献：....................................................................................................................................28 致谢................................................................................................................................................29

第一章引言 第一章引言 1.1 研究背景与目的 随着IC设计不断向深亚微米工艺发展，可制造的最小线宽也在不断减小，目前已经可 以达到45m。但与此同时，小尺寸也给电路设计带来了新的变革。为了得到高性能，低成 本的电路芯片，一些常规的电路都要采用新的模型或结构重新进行设计，以保证在电压不 断降低的情况下仍能正常工作。本文所要研究的带隙源电路也受此影响。 基准源是模拟与数字系统中的核心模块之一，它被广泛应用于动态存储(DRAM)、闪 存(flash memory)以及其他模拟器件中。其实现方式有电流基准、电压基准等。一个好的 基准源需要有稳定的工艺、电压和温度系数，并且不需要随着制造工艺的改变而改变，经 过许多前人的研究与探索，利用“带隙”方法来实现与温度无关的电压源已经非常成熟， 并且可以得到较好的结果。“带隙”即半导体元素的能隙，通常用硅来实现。目前，随着低 压低功耗要求的增加，尤其是便携式设备，如手机、PDA、笔记本电脑等，也对带隙电路 提出了新的要求，因为传统的输出基准电压约为硅的带隙电压(1.25V),而如果电源本身 低于1.25V的话，这种方法就不可能实现，必须对电路加以改进才能继续使用。 1.2 主要工作 本文从带隙基准的基本原理讲起，主要研究了两个比较经典的带隙结构山四的实现方 式，在此期间，我查阅了今年来许多关于此方面的资料，对研究现状有了较清楚地认识， 并且在导师与师兄的帮助下，对电路的设计方法和测试方法进一步掌握，最终设计出了满 意的电路指标，并对其中的两种进行了参数设计与仿真，分析它们的区别。 1.3 论文结构 本文主要比较了两种主流带隙结构的性能。 论文安排如下： 第二章介绍了带隙基准的基本原理。 第三、四章分别仔细分析了两种带隙结构的原理、参数设计方法及仿真指标。 第五章中比较了上述两者的性能，分析产生区别的原因，并提出一些改进的想法。 第六章作了总结并提出了一些未来可以继续深入研究的方向

第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 研究背景与目的 随着 IC 设计不断向深亚微米工艺发展，可制造的最小线宽也在不断减小，目前已经可 以达到 45nm。但与此同时，小尺寸也给电路设计带来了新的变革。为了得到高性能，低成 本的电路芯片，一些常规的电路都要采用新的模型或结构重新进行设计，以保证在电压不 断降低的情况下仍能正常工作。本文所要研究的带隙源电路也受此影响。 基准源是模拟与数字系统中的核心模块之一，它被广泛应用于动态存储（DRAM）、闪 存（flash memory）以及其他模拟器件中。其实现方式有电流基准、电压基准等。一个好的 基准源需要有稳定的工艺、电压和温度系数，并且不需要随着制造工艺的改变而改变，经 过许多前人的研究与探索，利用“带隙”方法来实现与温度无关的电压源已经非常成熟， 并且可以得到较好的结果。“带隙”即半导体元素的能隙，通常用硅来实现。目前，随着低 压低功耗要求的增加，尤其是便携式设备，如手机、PDA、笔记本电脑等，也对带隙电路 提出了新的要求，因为传统的输出基准电压约为硅的带隙电压（1.25V），而如果电源本身 低于 1.25V 的话，这种方法就不可能实现，必须对电路加以改进才能继续使用。 1.2 主要工作 本文从带隙基准的基本原理讲起，主要研究了两个比较经典的带隙结构[1][2]的实现方 式，在此期间，我查阅了今年来许多关于此方面的资料，对研究现状有了较清楚地认识， 并且在导师与师兄的帮助下，对电路的设计方法和测试方法进一步掌握，最终设计出了满 意的电路指标，并对其中的两种进行了参数设计与仿真，分析它们的区别。 1.3 论文结构 本文主要比较了两种主流带隙结构的性能。 论文安排如下： 第二章介绍了带隙基准的基本原理。 第三、四章分别仔细分析了两种带隙结构的原理、参数设计方法及仿真指标。 第五章中比较了上述两者的性能，分析产生区别的原因，并提出一些改进的想法。 第六章作了总结并提出了一些未来可以继续深入研究的方向

第二章带隙基准的基本原理与结构 第二章带隙基准的基本原理与结构 2.1工作原理) 为了得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的电压与具有正温度 系数的电压相加，它们的结果就能够去除温度的影响，实现接近0温度系数的工作电压(zro TC)。用数学方法表示可以为：har=a1+a2,并且：a北+a, =0. 1)负温度系数的实现： 通过对电路元件的了解可知，双极型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。 具体分析如下： 集电极电流为：Ic=Isexp(VBE/Vr)其中s为饱和电流，Vr=kT/g≈0.026。 → VBE =Vr In(Ic/Is) (2.0) OVBE OVT Ic. Vras (2.1) 根据半导体物理知识可知：5=bT+exp(- E8 其中b为比例系数，m≈-3/2，Eg为硅 kT 的带隙能量≈1.12eV。 a 又因为： In(c)= VBE (2.3) Is'Vr avr k Vr aTqT (2.4) 将式(2.2)，(2.3)，(2.4)代入(2.1)，化简可得： OVBE VBE-(4+m)VT-Eg/g (2.5) aT T E通常小于E,所以s与T负相关，从上式中也可以知道，e随温度变化关系与自身 有关。 2)正温度系数的实现： 若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 绝对温度成正比。如图2.1所示： 2

第二章 带隙基准的基本原理与结构 2 第二章 带隙基准的基本原理与结构 2.1 工作原理[3] 为了得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的电压与具有正温度 系数的电压相加，它们的结果就能够去除温度的影响，实现接近 0 温度系数的工作电压（zero TC）。用数学方法表示可以为：V VV REF =α11 2 2 +α ，并且： 1 2 1 2 0 V V T T α α ∂ ∂ + = ∂ ∂ 。 1）负温度系数的实现： 通过对电路元件的了解可知，双极型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。 具体分析如下： 集电极电流为： IC S BE T = I VV exp( / ) 其中 IS 为饱和电流，V kT q V T = / 0.026 ≈ 。 ⇒ V V II BE T C S = ln( / ) (2.0) ln( ) BE T C T S S S V V I VI T T I IT ∂∂ ∂ = − ∂∂ ∂ (2.1) 根据半导体物理知识可知： 4 exp( ) m g S E I bT kT + = − 其中 b 为比例系数，m ≈ −3/2 ，Eg 为硅 的带隙能量≈1.12eV 。 ⇒ 3 4 2 (4 ) exp( ) (exp )( ) IS g gg m m E EE b m T bT T kT kT kT ∂ −− + + =+ + ∂ (2.2) 又因为: ln( ) C BE S T I V I V = (2.3) V kV T T T qT ∂ = = ∂ (2.4) 将式(2.2), (2.3), ( 2.4)代入(2.1)，化简可得： V V mV E q BE BE T g (4 ) / T T ∂ −+ − = ∂ (2.5) VBE 通常小于 Eg q ，所以VBE 与 T 负相关，从上式中也可以知道，VBE 随温度变化关系与自身 有关。 2）正温度系数的实现： 若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 绝对温度成正比。如图 2.1 所示：