【模拟CMOS集成电路设计】带隙基准(Bandgap)设计与仿真(基于运放的电流模BGR)
【模拟CMOS集成电路设计】带隙基准(Bandgap)设计与仿真
- 前言
- 工程文件&部分参数计算过程,私聊~
- 一、 设计指标
- 指标分析:
- 二、 电路分析
- 三、 仿真
- 3.1仿真电路图
- 3.2仿真结果
- (1)运放增益
- (2)基准温度系数仿真
- (3)瞬态启动仿真
- (4)静态电流仿真
- (5)线性调整率仿真
- (6)电源抑制PSR仿真
- 四、仿真结果汇总
- 五、总结
- 优化结构(采用cascode电流镜)
- 一、前言
- 二、电路
- 三、仿真
- 3.1仿真电路图
- 3.2仿真结果
- (1)运放增益
- (2)基准温度系数仿真
- (3)瞬态启动仿真
- (4)静态电流仿真
- (5)线性调整率仿真
- (6)电源抑制PSR仿真
- 四、仿真结果汇总
- 五、总结
前言
此次设计,使用电流镜结构为基础的
B
a
n
d
g
a
p
Bandgap
Bandgap 来满足设计指标,主要目标是在结构简单的前提下满足设计指标要求,本文供学习参考。
关于
B
G
R
BGR
BGR 的基础,可以看【笔记:模拟MOS集成电路】带隙基准(基本原理+电流模+电压模电路详解)
文末附带核心管支路关键参数计算方法
工程文件&部分参数计算过程,私聊~
一、 设计指标
本次设计指标,如表1所示
(*线性调节率指输出基准电压随直流VDD的变化率,电源电压从电路正常工作的最小电压起到额定电源电压为止)
指标分析:
本次Bandgap设计,选用的工艺是
T
S
M
C
18
µ
m
TSMC 18µm
TSMC18µm工艺,采用运放结构为基础,设计参数要求电源抑制
P
S
R
<
−
50
d
B
PSR < -50dB
PSR<−50dB ,如果不考虑具体电路,可以通过提升运放增益、减小BGR输出阻抗和Cascode结构提升PSR性能。
以减小
B
G
R
BGR
BGR 输出阻抗提升
P
S
R
PSR
PSR 为例进行电路设计,此时
P
S
R
PSR
PSR 和整体功耗相互折中,一方面是运放增益尽可能大,另一方面是因为低的输出阻抗会需要大的电流偏置,如果PSR要求放宽,功耗可以迅速下降。
考虑到功耗指标,对电流进行分配,自偏置电流镜两支路共分配
10
µ
A
10 µA
10µA,运放分配
80
µ
A
80µA
80µA,两路核心管分别分配
10
µ
A
10µA
10µA ,剩余电流分配给输出级。
本次设计电源电压
3.3
V
3.3V
3.3V,对于TSMC18工艺,
“
p
m
o
s
3
v
”
“pmos3v”
“pmos3v” 晶体管, NMOS器件,选取
“
n
m
o
s
3
v
”
“nmos3v”
“nmos3v” 晶体管。
优化措施也有很多,比如更换运放结构、采用Cascode层叠电流镜和单位增益的运放输出buffer等,都可以显著降低PSR然后减小功耗,但是电路会复杂一丢丢。
二、 电路分析
通过对表1的指标分析,搭建的电路如图2.1所示。
B
G
R
BGR
BGR 原理此处不再赘述,关于
B
G
R
BGR
BGR 的基础,参考:
【笔记:模拟MOS集成电路】带隙基准(基本原理+电流模+电压模电路详解)
另一个电路结构是采用cascode电流镜的结构:
【模拟CMOS集成电路设计】带隙基准(Bandgap)设计与仿真(基于cascode电流镜的电流模BGR)
这种方案的功耗会小很多,此次设计中,因为运放增益相对不高,并没有把“基于运放结构的BGR”优势完全发挥出来,最常见的优化措施,放文章末尾了。下面继续本次设计,输出电压可以表示为:
对上式求导,得到
典型情况下,
∂
V
B
E
/
∂
T
≈
−
2
m
V
/
K
∂V_{BE}/∂T≈-2mV/K
∂VBE/∂T≈−2mV/K,令
∂
V
r
e
f
/
∂
T
=
0
∂V_{ref}/∂T=0
∂Vref/∂T=0,选取合适的
N
N
N值,可以得到
R
1
/
R
4
R_1/R_4
R1/R4的关系;然后在
V
B
VB
VB节点应用
K
C
L
KCL
KCL,设定核心管的静态电流
I
Q
I_Q
IQ,便可解的具体的
R
1
R
3
R_1~R_3
R1 R3的具体值;最后根据输出电流镜的复制比
M
M
M,乘以静态电流
I
Q
I_Q
IQ,得到输出支路电流
I
o
u
t
I_{out}
Iout,最终的参考电压是
I
o
u
t
R
4
I_{out}R_4
IoutR4。至此得到
B
G
R
BGR
BGR所有设计参数。
更详细计算过程,看第六部分内容~。
三、 仿真
3.1仿真电路图
3.2仿真结果
(1)运放增益
通过
a
c
ac
ac 仿真,仿真得到运放的增益为
58.637
d
B
58.637dB
58.637dB,仿真结果如图3.1所示。
(2)基准温度系数仿真
通过
d
c
dc
dc 仿真,将温度从
−
25
-25
−25~
125
℃
125℃
125℃进行扫描,观察输出波形,温度特性良好,基准温度系数:
T
C
V
=
V
m
a
x
−
V
m
i
n
V
r
e
f
×
(
T
m
a
x
−
T
m
i
n
)
×
1
0
6
=
8.46
p
p
m
/
C
TCV=\frac{V_{max}-V_{min}}{V_{ref}\times(T_{max}-T_{min})}\times10^{6}=8.46ppm/C
TCV=Vref×(Tmax−Tmin)Vmax−Vmin×106=8.46ppm/C,测试结果如图3.3所示。
(3)瞬态启动仿真
通过
t
r
a
n
tran
tran 仿真,通过图3.4,该电路可正常启动。
(4)静态电流仿真
通过
t
r
a
n
tran
tran 仿真,电路稳定时,所有支路的总电流,
209
µ
A
209µA
209µA。
(5)线性调整率仿真
通过
d
c
dc
dc 仿真将电源电压从
0
3.3
V
0~3.3V
0 3.3V 进行扫描,在正常工作电源电压下,测量输出线性调整率:
S
L
I
N
E
=
V
m
a
x
−
V
m
i
n
V
r
e
f
×
100
%
=
1.03
m
V
/
V
S_{LINE}=\frac{V_{max}-V_{min}}{V_{ref}}\times100\%=1.03\mathrm{mV/V}
SLINE=VrefVmax−Vmin×100%=1.03mV/V
(6)电源抑制PSR仿真
通过
a
c
ac
ac 仿真,在电源电压加小信号波动,观察输出,测量
P
S
R
PSR
PSR,通过图3.5可知,在低频为
P
S
R
=
−
50.8
d
B
PSR = -50.8dB
PSR=−50.8dB,最高
P
S
R
=
−
19.4
d
B
PSR = -19.4dB
PSR=−19.4dB。
四、仿真结果汇总
本次
B
a
n
d
g
a
p
Bandgap
Bandgap设计,通过仿真测得相关参数,结果汇总如表2所示。
五、总结
本次Bandgap设计,通过基于运放结构的电路模BGR,因为最终要压低
P
S
R
PSR
PSR,所以减小了负载电阻,为了实现特定输出电压,需要进一步提升输出电流,因此功耗有些高,如前所示,优化措施也有很多,
(1) 更换运放结构实现更大的增益;
(2) 采用
C
a
s
c
o
d
e
Cascode
Cascode 层叠电流镜复制电流,有效提升
P
S
R
PSR
PSR;
(3) 运放和电流镜栅极之间插入单位增益的运放输出
b
u
f
f
e
r
buffer
buffer 如图所示。
更新 |
优化结构(采用cascode电流镜)
一、前言
其他不再赘述,本节续前文,为了解决上一个结构 P S R PSR PSR 与功耗的折中,采用 C a s c o d e Cascode Cascode 电流镜,重新分配电流。
二、电路
通过对表1的指标分析,搭建的电路如图 2.1 2.1 2.1 所示。
三、仿真
3.1仿真电路图
3.2仿真结果
(1)运放增益
略
(2)基准温度系数仿真
通过dc仿真,将温度从
−
25
-25
−25~
125
℃
125℃
125℃进行扫描,观察输出波形,温度特性良好,基准温度系数
T
C
V
=
V
m
a
x
−
V
m
i
n
V
r
e
f
×
(
T
m
a
x
−
T
m
i
n
)
×
1
0
6
=
8.47
p
p
m
/
C
TCV=\frac{V_{max}-V_{min}}{V_{ref}\times(T_{max}-T_{min})}\times10^{6}=8.47ppm/C
TCV=Vref×(Tmax−Tmin)Vmax−Vmin×106=8.47ppm/C,测试结果如图
3.2
3.2
3.2 所示。
(3)瞬态启动仿真
通过
t
r
a
n
tran
tran 仿真,通过图
3.3
3.3
3.3 ,该电路可正常启动。
(4)静态电流仿真
通过
t
r
a
n
tran
tran 仿真,电路稳定时,所有支路的总电流,
50.9
µ
A
50.9µA
50.9µA。
(5)线性调整率仿真
通过
d
c
dc
dc 仿真将电源电压从
0
0
0~
3.3
V
3.3V
3.3V进行扫描,在正常工作电源电压下,测量输出线性调整率
S
L
I
N
E
=
V
m
a
x
−
V
m
i
n
V
r
e
f
×
100
%
=
239.417
μ
V
/
V
S_{LINE}=\frac{V_{max}-V_{min}}{V_{ref}}\times100\%=239.417\mu V/V
SLINE=VrefVmax−Vmin×100%=239.417μV/V。
(6)电源抑制PSR仿真
通过
A
C
AC
AC 仿真,在电源电压加小信号波动,观察输出,测量
P
S
R
PSR
PSR ,通过图3.5可知,在低频为
P
S
R
=
−
54.6
d
B
PSR = -54.6dB
PSR=−54.6dB,最高
P
S
R
=
−
29.64
d
B
PSR = -29.64dB
PSR=−29.64dB。
四、仿真结果汇总
本次
B
a
n
d
g
a
p
Bandgap
Bandgap 设计,通过仿真测得相关参数,结果汇总如表2所示。
五、总结
采用Cascode层叠电流镜复制电流,可以有效提升 P S R PSR PSR;