基于双极型工艺的带隙基准电路的研究与设计

摘要

带隙基准电压源是模拟集成电路中的基本模块，在各类电路中均有广泛应用。本文首先概述了带隙基准的发展历史和发展方向，阐述了基于双极工艺设计带隙基准的优势和特点，指出了本课题的研究意义。接着介绍了本设计中相关的器件理论与工艺模型。阐述了带隙基准的基本原理，详细介绍了几种带隙基准的经典结构及基准主要性能指标，分析了影响基准性能的误差因素。然后基于充电管理系统的应用需求，分别确定了所要设计的两种带隙基准电压源电路，并比较了这两款基准在结构与性能上的差异。对几种典型的带隙基准温度系数补偿方法作了详细介绍，分析了这些方法在本文应用环境和电路结构中的适用性，最终选择利用两种不同类型电阻的温度系数差异，产生可以补偿三极管基极发射极电压高阶项的PTAT2和PTAT3电压，对所设计带隙基准的温度系数指标进行了优化。
　　采用CSMC2um36V双极工艺，利用Cadence Spectre仿真工具对整个电路进行前仿真。分析了采用电阻补偿法在实现温度系数补偿过程中的误差问题，并提出解决办法。利用Cadence Virtuoso工具绘制了所设计基准电路的版图，分析了双极型工艺版图验证过程中的模型匹配问题，并提出解决办法。最后，利用Hspice对电路进行了后仿，其中开关电源芯片中的带隙基准温度系数为3.18ppm/℃，在0～71.3Hz频率范围内电源抑制比大于98.8dB，线性调整率为0.01mV/V，启动时间约为15.2us，欠压锁定的开启电压为14.7V，关断电压为8.85V;充电控制芯片中的的带隙基准电路温度系数为2.17ppm/℃，在0～10.56Hz频率范围内电源抑制比大于105dB，线性调整率为0.0044mV/V，启动时间约为215us。仿真结果表明符合应用需求。

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 基准电压源发展历程

1．3 带隙基准发展现状

1．4 本文主要内容及本文结构

第二章 双极器件原理与模型

2．1 双极型管结构及其工作状态

2．2 影响双极器件性能的因素

2．2．1 基区宽度调变效应

2．2．2 噪声效应

2．2．3 寄生电阻效应

2．2．4 寄生电容效应

2．3 器件模型

第三章 带隙基准理论基础

3．1 带隙基准原理

3．2 带隙基准主要性能指标

3．3 典型的带隙基准电压源结构

3．3．1 三管带隙基准源

3．3．2 复合式带隙基准源

3．3．2 两管带隙基准源

3．4 带隙基准电压源的误差分析

第四章 应用于充电管理系统的带隙基准设计和仿真

4．1 电动车电池充电管理系统简介

4．1．1 带隙基准在充电管理系统中的作用

4．2 应用于开关电源芯片的带隙基准设计和仿真

4．2．1 欠压锁定电路设计

4．2．2 启动电路设计

4．2．3 偏置电路设计

4．2．4 带隙基准核心电路设计

4．2．5 过流保护电路设计

4．3 应用于充电控制芯片的带隙基准设计和仿真

4．3．1 启动及偏置电路设计

4．3．2 核心电路设计

4．3．3 运放电路设计

4．3 两种电路结构总结和比较

4．4 针对基准温度系数指标的优化设计

4．5 仿真验证

4．5．1 应用于开关电源芯片中的基准仿真

4．5．2 应用于充电控制芯片中的基准仿真

4．5．3 仿真结果总结

第五章 版图设计与后仿验证

5．1 双极工艺流程

5．2 版图设计

5．2．1 版图设计工具简介

5．2．2 双极工艺版图设计准则

5．2．3 双极工艺版图设计规则

5．2．4 基本器件版图设计

5．2．5 整体版图的布局布线与设计

5．3 版图验证

5．3．1 版图验证主要内容

5．3．2 版图验证过程

5．4 后仿验证

5．4．1 后仿工具简介

5．4．2 后仿验证流程与仿真结果

第六章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况