BroadGalaxy Electronics Ltd. Analog IC Design RFIC Design document 已完成的系统设计情况， ADS结果， Spreadsheet， RAU End-End Spec, PLL, 结论 BroadGalaxy Electronics Ltd. July 2009

Outline bandgap参考电压源电路设计与仿真 电压基准和电流基准的作用； 电压基准结构选择； 电流基准的设计：PTAT电流/与温度无关电流； 补充内容：闭环电路的稳定性判据； 课后练习要求。

电压基准和电流基准的作用 模拟电路的设计中须广泛的应用到电压基准和电流基准，它们是直流量，为核心电路提供偏置，建立直流工作点； 一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在着一定的波动，而模拟电路对偏置电压的稳定性要求较高，因此一般会使用一个参考电压源，它将电源电压转化为一个具有良好电压稳定性和温度稳定性的电压，以提供良好的偏置。 同时大部分电路也需要一个参考电流源以提供偏置，常见的有不随温度变化的电流和与温度成正比的电流；

电压基准和电流基准的作用 常用的基准有： 与温度无关的基准电压； 与温度成正比的电流（PTAT电流）； 与温度无关的电流.

r= 电压基准结构选择 介绍两个概念 灵敏度S ：灵敏度用于衡量参考电压源的稳压特性，灵敏度越低参考电压源的稳压特性越好。 动态电阻：对于一个二端元件，当其端电压变化时，端电压微小增量与端电流微小增量的比值。动态电阻等于I—V曲线上参考点处曲线斜率的倒数。 r=

电压基准结构选择 对一个一般的分压网络进行分析，R1、R2为阻性元件。假定电源电压变化了 ,因为R1和R2串联， 会以一定比例分配在这两个电阻上，并且两者的电流改变量一致。

电压基准结构选择 这说明 在R1、R2上的分配与R1、R2的动态电阻成正比。如果我们能让R1的动态电阻很小，R2的动态电阻很大，则 大部分落在R2上，一小部分落在R1上， 对电源电压的灵敏度会大大降低，稳压性能就会得到很大提高。

电压基准结构选择 如果选择R1、R2均为线性电阻，则它们的动态电阻与静态电阻相等。电源电压变化量 将仍以原来的静态电阻的分压比分配给R1、R2，最后R1、R2 的分压比与电源电压变化前相比没有改变。所以 与电源电压将等比例变化，S=1，稳压效果不理想。

电压基准结构选择 在CMOS电路设计中，最自然的考虑是用非线性电阻元件MOS二极管来替代电阻R1。 MOS二极管具有较小的动态电阻。在W/L=2,R2=100K情况下，S的典型值为0.283。

电压基准结构选择 在CMOS工艺当中，我们还可以利用寄生的纵向pnp三极管来形成二极管，它比MOS二极管具有更小的动态电阻。典型值S=0.0362。此种结构的稳压性能比较好，现阶段我们都采用此种结构。

bandgap电路设计 这种结构的稳压性能虽好，但是它的温度特性仍然没有得到改善。 具有负的温度系数，在室温时大约是-2.2mV/℃。我们可以通过补偿的方法来改善参考电压源的温度特性。我们期望构造出具有正温度系数的KT项，其中K为正常数，T为热力学温标,使 当温度变化时， 与KT具有相反的变化趋势，则可以使 的温度特性得到补偿。

bandgap电路设计 此结构是在一个负反馈运算放大器的两个输入端各接一个稳压电路。两路稳压电路并联。它们并联的总电压作为我们所要的参考电压，连接到运放的输出端输出。电源电压包含在运放里。下面分析一下它的工作原理。

bandgap电路设计 （VR3即是我们要构造的KT项） k为波尔兹曼常数，q为电子电荷，T为绝对温度,A为发射极面积。

bandgap电路设计 因为 所以 将VR1带入 VR3，得 所以 其中

bandgap电路设计 1.K必须独立于温度(用电阻之比) 2.K必须独立于电源电压

bandgap电路设计 KT项其实是两只稳压管的be结电压之差，这个电压我们是通过负反馈运放虚短用R1电阻取得的。我们又通过负反馈的作用使得I1/I2固定于R2/R3，从而使得K值独立于温度和电源电压。最后，通过R1与R3的电压线性比例关系得到在R3上的温度补偿电压。

bandgap电路设计

bandgap电路设计

bandgap电路设计

bandgap电路设计

bandgap电路仿真 直流温度扫描 分析目的：直流温度扫描分析是为了分析参考电压源的温度特性，即在扫描温度范围内输出的参考电压值随温度的变化情况。 测试激励：固定供电电压源1.8V，扫描温度参数。扫描范围（-40℃，120℃）。

bandgap电路仿真

bandgap电路仿真 工艺角扫描 分析目的：分析在工艺参数变化的情况下，输出参考电压的变化情况。 测试激励：corner分析，ff,ss,温度扫描范围（-40，120）。

bandgap电路仿真 直流电压扫描 分析目的：直流电压扫描分析是考察在供电电源电压值线性变化的情况下，输出参考电压值的变化情况。 测试激励：施加直流电压线性扫描，供电电压扫描范围（1.6V，2V）。

bandgap电路仿真 PTAT电流的产生

bandgap电路设计进阶 目的： 产生与温度和电源都无关的电压基准； 产生与温度无关的电流基准；

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶 其它结构的电压基准电路设计 产生与温度和电源无关的电压基准； 产生与温度无关的电流基准；

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

bandgap电路设计进阶

补充 闭环电路的稳定性判据

Stability Analysis with Bode Plots 补充 Stability Analysis with Bode Plots

END Q&A

课后练习要求： Bandgap2_2v调试，电路如下：

课后练习要求 指标要求： VREF直流范围：0.7V~0.9V; IREF直流范围：10uA~50uA VREF温度系数：<16ppm,-40DEG~120DEG; VREF电源电压扫描： ,VDD=1.6V~2V IREF温度扫描: IREF电源电压扫描： 闭环STB仿真：phase margin>60degree gain margin>10dB

课后练习要求： Bandgap3_3v调试，电路如下：

课后练习要求 指标要求： VREF直流范围：1.1V~1.3V; IREF直流范围：50uA~100uA VREF温度系数：<14ppm,-40DEG~120DEG; VREF电源电压扫描： ,VDD=3V~3.3V IREF温度扫描: IREF电源电压扫描： 闭环STB仿真：phase margin>60degree gain margin>10dB

小结 直流仿真，直流工作点，MOS工作状态判定； 电流镜仿真，复制电流关系； 偏置电路设计； 电压基准设计：正温电压+负温电压=温度无关电压； 电流基准设计：正温电流+负温电流=温度无关电流； 两级运放设计； 直流温度扫描方法； 直流电源电压扫描方法； 闭环电路STB仿真方法； 电流镜MOS管，成比例的BJT管，在版图上的match.

预习要求 比较器电路基础； VCO与PLL电路基础； 射频电路基础：史密斯圆图，阻抗匹配，最大功率传输原理，高频电路中电容与电感如何等效； 参考书目： P.E. Allen, “CMOS Analog Circuit Design”, Second Edition, 电子工业出版社 Thomas H. Lee,“ The Design of CMOS Raido Frequency Integrated Circuits” (英文版或中文版) Behzad Razavi，“RF Microelectronics ”(英文版或中文版)