低温度系数的可编程带隙基准电压源设计

摘要

电压基准源是电路设计中广泛采用的一个关键的基本模块，它的温度稳定性直接影响到整个电路系统的精度和性能，因此，本文的主要研究目标是采用标准的互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS)工艺设计出一个低温度系数且输出电压可编程输出的带隙基准电压源。
　　本文首先介绍了带隙基准源的国内外发展现状和趋势，分析了带隙电压基准源的工作原理，给出了电压基准源的性能指标，然后介绍了几种实现低温度系数的方法，最终确定了用多温度区间控制的方法实现低温度系数作为本文所设计的带隙基准源电路的核心结构。将-20℃～120℃的工作温度等分为七个区间，并在各个温度区间内确定带隙基准源的电路参数，使得带隙基准源在各个温度区间内拥有最小的温度系数，最终实现在整个温度范围内得到一个较低的温度系数。为了实现自调节，论文还设计一个温度感应电路和延迟线ADC电路为带隙电路提供控制信号，最后，设计了一个逻辑输出电路以实现输出电压可调。论文基于标准0.5μmCMOS工艺进行了电路仿真，并根据设计规则设计了电路版图，并完成了对电路的前仿真和后仿真。
　　由后仿真结果表明:在5V的输入电压情况下，本文设计的低温度系数带隙基准模块的输出电压在-20℃～120℃之间的输出电压稳定在1V左右，最大电压偏差为0.93mV，此时对应的温度系数为6.68ppm/℃;温度感应电路在-20℃～120℃之间，最大输出电压范围可以达到973.0mV～4.105V，对应温度敏感度为22.37mV/℃;最终输出电压可以从1.25V到3V，分辨率为0.25V，最大偏差为1.68mV，最坏情况下对应的温度系数为7.52ppm/℃。整个电路设计符合总体设计要求。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 带隙基准的历史及应用

1．2 国际国内研究现状与进展

1．3 本文的主要内容与设计目标

1．4 论文组织结构

第二章 带隙基准源的设计基础

2．1 带隙基准源的主要性能参数

2．2 带隙基准源的基本原理及结构

2．2．1 基本原理

2．2．2 传统的带隙基准源结构

2．3 非线性温度补偿方法

2．3．1 利用MOS管亚阈值区I-V特性的非线性补偿技术

2．3．2 利用电阻的温度特性的曲率校正方法

2．3．3 VBE线性化补偿方法

2．3．4 指数型温度补偿方法

2．4 本章小结

第三章 温度分段补偿带隙基准源电路设计

3．1 温度分段补偿方法的实现

3．1．1 设计思路

3．1．2 带隙基准源电路的设计

3．1．3 运放的设计与仿真

3．1．4 带隙基准源电路模块的仿真

3．2 温度感应电路

3．2．1 核心电路

3．2．2 电压放大电路

3．3 可编程逻辑输出电路

3．3．1 电路设计

3．3．2 电路仿真

3．4 ADC的电路

3．4．1 延迟线ADC电路的介绍

3．4．2 延迟线ADC电路参数确定与仿真

3．5 带隙基准源的系统前仿真

3．5．1 带隙基准源电路的输出电压仿真

3．5．2 可编程电压输出的前仿真

3．5．3 整体电路前仿真总结

3．6 本章小结

第四章 版图设计与后仿真

4．1 版图设计时需考虑的因素

4．1．1 匹配性考虑

4．1．2 抗干扰及寄生效应的考虑

4．1．3 可靠性考虑

4．2 带隙基准源的版图设计

4．2．1 双极型晶体管的版图设计

4．2．2 电阻的版图设计

4．2．3 运放版图的设计

4．3 带隙基准源电路的版图验证

4．3．1 版图设计规则检查

4．3．2 版图与电路图一致性检查

4．3．3 版图寄生参数提取

4．4 带隙基准源电路的后仿真

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

致谢

参考文献