1、0 哈 尔 滨 理 工 大 学 软 件 学 院 课 程 设 计 报 告 课 程 大三学年设计 题 目 带隙基准电压源设计 专 业 集 成 电 路 设 计 与 集 成 系 统 班 级 集 成 10-2 班 学 生 唐 贝 贝 学 号 1014020227 指 导 老 师 董长春 2013 年 6 月 28 日 1 目 录 一.课程设计题目描述和要求 二.课程设计报告内容 2.1 课程设计的计算过程. 2.2 带隙电压基准的基本原理. 2.3 指标的仿真验证结果. 2.4 网表文件 三.心得体会 四参考书目. 2 一 课程设计题目描述和要求 1.1 电路原理图： (1).带隙基准电路 (2).放大
2、器电路 3 1.2 设计指标 放大器：开环增益：大于 70dB 相位裕量：大于 60 度 失调电压：小于 1mV 带隙基准电路：温度系数小于 10ppm/ C 1.3 要求 1手工计算出每个晶体管的宽长比。通过仿真验证设计是否正确，是否满 足指标的要求，保证每个晶体管的正常工作状态。 2使用 Hspice 工具得到电路相关参数仿真结果，包括：幅频和相频特性 （低频增益，相位裕度，失调电压）等。 3每个学生应该独立完成电路设计，设计指标比较开放，如果出现雷同按 不及格处理。 4完成课程设计报告的同时需要提交仿真文件，包括所有仿真电路的网表， 仿真结果。 5相关问题参考教材第六章，仿真问题请查看
3、HSPICE 手册。 2. 课程设计报告内容 由于原电路中增加了两个 BJT 管，所以 Vref 需要再加上一个 Vbe，导致最 后结果为 ，最后 Vref 大概为 1.2V，且电路具有较大的电流，(ln)8.6M 可以驱动较大的负载。 2.1 课程设计的计算过程 1 M8，M9，M10，M11，M12，M13 宽长比的计算 设 Im8=Im9=20uA (W/L)8=(W/L)9=20uA 为了满足调零电阻的匹配要求，必须有 Vgs13=Vgs6 -因此还必须满足(W/L)13=(Im8/I6)*(W/L)6 即(W/L)13/(W/L)6=(W/L)9/(W/L)7 取(W/L)13=27
4、 取(W/L)10=(W/L)11=(W/L)13=27 因为偏置电路存在整反馈，环路增益经计算可得为 1/(gm13*Rb)，若使环路 4 增益小于 1，知(W/L)12/(W/L)13 4 故取(W/L)12=4*(W/L)13=107 2取 CL=2pf 3为了满足 60DB 的相位裕度的要求： Cc 0.22CL=0.44pf 由于设计需求取 Cc=4pf 4为了版图中的对称性去 I5=53uA，I6=107uA 5单位增益带宽 11MHz UGB=gm1/Cc=11MHz*2 又 gm6/CL=2.2*UGB=24MHz*2 计算得 gm1=44us gm6=48us 取 gm1=6
5、9us gm6=55us 6为了消去零点，即将零点移至无穷远处，则调零电阻满足以下公式： gm6*R2=1 得 R2 = 1.44k 7M1 与 M6 宽长比的计算 由 gm1=2Kp(W/L)1*I10.5 取(W/L)2=(W/L)1=20 由 gm6=2Kn(W/L)6*I6 0.5 取(W/L)6=107 8M3，M4，M5，M7 宽长比的计算 假设过驱动电压 Vov=0.2v I3=I4=0.5Kn（W/L）Vov*Vov 取(W/L)3=(W/L)4=27 由偏置电流源与电流的比例关系得：(W/L)5=53 (W/L)7=107 9由 Vgs13=Vgs12+Im8*Rs Vgs=
6、 得 Rs=3.2k 2.2 带隙电压基准的基本原理 带隙电压基准的基本原理： 0 VT 5 基准电压表达式 ： V+,V-的产生原理： （1）利用了双极型晶体管的两个特性： 基极-发射极电压（VBE）电压与绝对温度成反比 在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射极电压的差值 （VBE）与绝对温度成正比 （2）双极型晶体管构成了带隙电压基准的核心 负温度系数电压： 双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为 其中， 。利用此公式推导得出 VBE 电压的温度系数为 其中， 是硅的带隙能量。 当 REFVVexp() CSBETIVTVkq(4)BETgmq1.
7、5m.2geV70BEV30TK 6 可得： （3）实现零温度系数的基准电压 利用上面的正，负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压。有 以下关系： (ln)8.6M （4）带隙基准电路参数的设计 假设 n=8，M=1。M 为 M5 与 M1234 电流大小之比。并设 M1234 宽长比 为 80/3。则 4.13,假设 R1=4K,R2=18.4K。经过调试得知不同大小的 R2 与21R R1 会影响带隙基准的温度系数以及电路整体的电流大小，影响后续驱动负载能 力，调试过程中会存在一定误差，例如 18.4/4=4.6 与计算结果有一定差距，但 是仿真出的结果较好所以我们使用上述参数
8、。 2.3 指标的仿真验证结果 （1）放大器增益带和相位裕度的仿真 放大器的增益是 104.54DB;单位增益带宽是 5.9474M;相位裕度是 62.141 度 1.5BEVTmVC(ln)REFBET 7 （2）失调电压 失调电压为 Vos=0V (3)带隙基准准度 8 温度系数 TCf 是 =800u(100*(1.2109+1.2105)/2)=6.6ppm/*REFVT C 2.4 网表文件 * source bandgap M1 g v- c vdd mp33 L=3u W=60u M2 h v+ c vdd mp33 L=3u W=60u M3 g g 0 0 mn33 L=3u
9、 W=80u M4 h g 0 0 mn33 L=3u W=80u M5 c d vdd vdd mp33 L=3u W=160u M6 VOUT h 0 0 mn33 L=3u W=320u M7 VOUT d vdd vdd mp33 L=3u w=320u M8 d d vdd vdd mp33 L=3u W=80u M9 a d vdd vdd mp33 L=3u W=80u M10 d a f 0 mn33 L=3u W=80u M11 a a b 0 mn33 L=3u W=80u M12 f b k 0 mn33 L=3u w=320u M13 b b 0 0 mn33 L=3u
10、 W=80u R_R2 h m 1.44k Cc VOUT m 4p CL m VOUT 2p Rs 0 k 3.2k */Bandgap/ mp1 Q2ae vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u mp2 v- vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u mp3 Q1ae vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u mp4 v+ vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u mp5 vref vout vdd vdd mp33 W=90u L=3u Q2a 0 0 Q2ae qvp10 Q2b 0 Q2ae v- qvp10 9 Q1
11、a 0 0 Q1ae qvp10 m=8 Q1b 0 Q1ae Q1be qvp10 m=8 Q3 0 0 q3e qvp10 R1 v+ Q1be 4k R2 Vref q3e 18.4k */ vdd vdd 0 3.3v .lib c:/lib/hm3524m020025v132.lib tt .lib c:/lib/hm3524m020025v132.lib biptypical .plot v(Vref) .op .dc temp -20 80 1 *sweep x 18.2k 18.6k 0.01k .end 3心得体会 通过学年设计发现跟多自己的不足，该设计更多是在老师和组员的帮助下 完成，在模拟设计方面还有很多的路要走，还有很多的只是要学，很多的不足 仍需改进。大学的课程虽然临近结束，可是在接下来的一年的学习不会停止， 而且跟多的是靠自己。 四参考书目 .CMOS 模拟集成电路设计（第二版）Phillip E.Allen Douglas R.Holberg 著 冯军 李智群 译 王志功 审校
