高性能带隙基准源的设计与实现

论文摘要

带隙基准电压源是模拟集成电路中一个重要的单元,广泛应用于工程实际应用中。BiCMOS工艺是一种结合了Bipolar工艺和CMOS工艺各自优点的工艺,采用BiCMOS工艺设计出一个高性能的带隙基准电压源是本文的主要研究目的。本文首先介绍了带隙基准电压源的发展动态,然后介绍了本次设计采用的BiCMOS制造工艺以及影响双极型晶体管模型的因素。低温度系数、高电源抑制比是带隙基准电压源高性能的体现,也是本次带隙基准电压源设计的主要挑战。本文比较了各种常用的高阶带隙基准电压源的温度补偿原理,在对一种现有的一阶温度补偿带隙基准电压源的改进的过程中提出了一种新的温度补偿方法,并且增加了预稳压电路改进了原电路的电源抑制比。最终运用标准的BiCMOS工艺实现了高性能的带隙基准电压源。本文的主要工作在于:⒈实现了一种基于BiCMOS工艺的一阶温度补偿带隙基准电压源。这种结构采用NPN管作为产生温度补偿的带隙基准电压源的核心。比其他使用CMOS工艺中寄生PNP管的结构具有更好的性能。同时这种结构相比较其他一阶温度补偿结构具有更低的温度系数和更好的驱动负载的能力。⒉针对低温度系数问题,本文提出了一种新颖的高阶温度补偿方法。这种方法使用差分放大器失调电压抵消双极型晶体管中基射结电压（VBE）中的温度非线性,实现了带隙基准电压源的高阶温度补偿。⒊针对设计的带隙基准电压源电路的低电源抑制比的问题。采用了预稳压电路（Preregulator）设计,为带隙基准电压源提供伪电源电压。这种预稳压电路结构简单,能够提供一个不受电源电压变化影响同时具有较好负载能力的输出电压。通过仿真显示,这个预稳压电路提高了带隙基准电压源电源抑制比。⒋设计出了用于电压放大和电压缓冲的运算放大器,通过运算放大器了产生100mV、1.5V、2.5V基准电压。这些基准电压同样具有较好的温度系数,并且具有很好的驱动能力。通过流片及测试,相比较仿真结果,本文设计的基准电压源均能产生比较准确的基准电压,在5V的电压,30p电容负载条件下,各种基准电压的偏差均在2%左右。在（27℃-75℃）温度范围内,测得2.5V输出电压的温度系数约为40ppm/℃。为当电源电压从4.5V变化到5.5V时,测试出的电源调整率为15.2mV/V。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状和趋势
• 1.3 研究的内容
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 制造工艺和器件模型
• 2.1 半导体工艺技术的发展简述
• 2.2 BiCMOS 技术的工艺结构和特点
• 2.2.1 一般的工艺结构和特点
• 2.2.2 课题采用工艺简介
• 2.3 双极型器件模型
• 2.4 影响双极型晶体管器件模型的因素
• 2.4.1 寄生串联电阻
• 2.4.2 Early 效应
• 2.4.3 电流增益变化
• 2.4.4 大注入效应
• 第三章 基准电压源的分类及原理
• 3.1 基准电压源的性能指标
• 3.2 基准电压源的分类和性能比较
• 3.3 带隙基准源的基本原理
• BE 的温度特性'>3.3.1 V_BE的温度特性
• 3.3.2 带隙基准电压的产生
• 3.3.3 带隙基准电压的温度特性
• 3.4 高性能的带隙基准电压源
• 第四章 带隙基准电压源的设计与仿真
• 4.1 电路设计目标
• 4.2 带隙基准电压源原理图
• 4.3 带隙基准电压源的实现与仿真
• 4.3.1 带隙基准电压源的实现
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 对带隙基准电压源的改进和仿真
• 4.4.1 改进为高阶补偿结构
• 4.4.2 加入预稳压器（Preregulator）
• 4.4.3 仿真结果
• 第五章 整体电路的设计和仿真
• 5.1 运算放大器的设计
• 5.1.1 两级运算放大器的设计与仿真
• 5.1.2 折叠共源共栅运算放大器的设计与仿真
• 5.2 整体电路设计与仿真
• 第六章 版图设计及测试结果
• 6.1 版图设计
• 6.1.1 版图设计的重要性
• 6.1.2 版图设计的规则及示例
• 6.2 测试结果
• 6.2.1 输出电压
• 6.2.2 电源调整率
• 6.2.3 温度系数
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果