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高性能自偏置带隙基准源的设计

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简介:
本设计提出了一种新型高性能自偏置带隙基准源,旨在优化电路性能,实现低电压、低功耗及高温度稳定性的目标。 本段落基于传统CMOS带隙基准源电路的分析与总结,在无锡上华0.15μm混合CMOS工艺的支持下,采用电流镜共源共栅结构屏蔽技术,并结合一级温度补偿、电流反馈技术和运放电路设计了一款具有高电源抑制比、低温度系数及自偏置电压特性的带隙基准源电路。

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    本设计提出了一种新型高性能自偏置带隙基准源,旨在优化电路性能,实现低电压、低功耗及高温度稳定性的目标。 本段落基于传统CMOS带隙基准源电路的分析与总结,在无锡上华0.15μm混合CMOS工艺的支持下,采用电流镜共源共栅结构屏蔽技术,并结合一级温度补偿、电流反馈技术和运放电路设计了一款具有高电源抑制比、低温度系数及自偏置电压特性的带隙基准源电路。
  • 电路(含)- 综合文档
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    本综合文档探讨了高性能带隙基准源电路的设计与应用,特别关注其自偏置功能,旨在提高电路稳定性和精度。 在讨论带有自偏置功能的高性能带隙基准源电路之前,首先需要了解带隙基准源(Bandgap Reference,简称BGR)的基本概念。带隙基准源是一种温度补偿基准电压源,它能够提供一个与温度变化关系非常小的稳定电压,在模拟电路设计中如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)以及各类电源管理电路中起着关键作用。 BGR的设计原理涉及两个性质不同的电压:一个是具有负温度系数(NTC),通常对应双极结型晶体管(BJT)的基极-发射极电压(VBE);另一个是正温度系数(PTC),代表不同电流密度下的两个BJT VBE差值。通过适当组合这两个电压,可以得到一个总温度系数接近于零的输出电压,即该电路能够提供几乎不随温度变化而改变的稳定基准电压。 文中提到的设计采用了HLMC55LP工艺,并且输入电压范围为1.6V至3.3V,输出精度在1.2V±2%范围内。这表明设计具有良好的低电源兼容性。采用新的电路结构和方法(如自偏置电路结构和源极负反馈补偿)可以提高基准电压的稳定性。 自偏置功能是指运放的偏置电流由带隙基准主体电路提供,而无需外部电源或其他独立的偏置电路,这样设计有助于提升整个系统的稳定性和减少工艺变化对性能的影响。 启动电路在模拟电路中是必要的,它确保系统从初始状态进入正常工作模式。文中提到,在上电过程中,NM4开启使得PM9栅电压为低值,并通过PM9拉高电源电压;随后NM3产生偏置电流使运放和带隙基准主体开始运作;当PM8镜像的电流产生的电压超过一定阈值时,整个电路进入正常工作状态。 环路补偿与修调(trimming)用于优化性能并提高准确性。在模拟设计中,通过调整电阻值来微调参数以达到最佳输出效果是常见的做法。 带隙核心电路作为BGR中最关键的部分负责产生和维持基准电压。它包括精确匹配的晶体管和电阻元件,确保电压稳定性和准确度。文中提到的设计方法创新了这一部分结构,并利用运放反馈控制输出电压来实现所需的精度与温度特性。 高性能带隙基准源设计需要全面考虑工艺、电源范围、电流需求以及温度等因素的影响,在详细电路分析的基础上通过模拟仿真得到满足性能要求的最终产品。
  • CMOS电压电路
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    本研究专注于高性能CMOS带隙基准电压源的设计与优化,致力于提升其温度稳定性、功耗效率及输出精度,在集成电路领域具有重要应用价值。 设计了一种应用于集成稳压器的高精度带隙基准电压源电路。采用共源共栅电流镜结构以及精度调节技术,有效提高了电压基准的温度稳定性和输出电压精度。通过Hynix 0.5 μm CMOS工艺仿真验证,在25 ℃时,温度系数几乎为零,电源电压变化导致的基准电压波动小于0.1 mV;在-40~125 ℃范围内,基准电压最大变化量为4.8 mV,满足设计指标要求。
  • 低温度漂移
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    本研究专注于开发一种高性能、低温度漂移特性的带隙基准源。通过优化电路结构和材料选择,显著提升了基准电压的稳定性和精度,适用于高精度测量与控制领域。 本段落设计并实现了一种新型的高PSRR(电源抑制比)且低TC(温度系数)带隙基准源,并着重研究了其在高频下的PSRR性能,在宽频范围内实现了高性能指标。采用0.35 μm BiCMOS工艺进行仿真,结果显示:当频率为1 Hz时,PSRR达到-108.5 dB;而当频率升至15 MHz时,仍能保持良好的抑制效果达-58.9 dB。此外,通过二次温漂补偿电路的应用,在常温条件下输出参考电压稳定在1.183 V,并且在整个温度范围(从-40 ℃到95 ℃)内实现了仅为1.5 ppm/℃的低温漂系数。
  • 电压
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    本项目专注于设计一种高精度、低功耗的带隙基准电压源。通过优化电路结构和参数选择,旨在实现温度补偿功能,确保在不同环境条件下提供稳定的参考电压。 毕业设计题目为带隙基准电压源的设计(Bandgap)。
  • 电路
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    带隙基准源电路是一种在集成电路中广泛应用的电压参考电路,能够提供温度稳定的电压输出。它基于半导体材料的带隙电压特性设计,广泛应用于各种需要稳定电压源的电子设备中。 ### 带隙基准源详解 #### 一、引言 在模拟电子设计领域,带隙基准源(Bandgap Reference)是一种重要的电路组件,用于提供一个稳定且精确的电压参考值,不受温度变化的影响。这一特性使其成为精密电源管理、信号处理及数据转换等众多应用中的关键组成部分。本段落将详细介绍带隙基准源的基本原理、设计方法及其在实际应用中的重要性。 #### 二、带隙基准源的基本原理 带隙基准源的核心在于利用两种不同材料或结构的半导体元件之间的电压差随温度的变化率来抵消单一元件随温度变化的影响,从而实现温度补偿。通常情况下,该电路由两个PN结组成:一个是发射极与基极之间的电压(VBE),另一个是经过特殊设计的“带隙”电压(Vgap)。 1. **VBE温度特性**:对于典型的硅基PN结,VBE随着温度的升高而线性下降,其温度系数约为-2.1mV/°C。 2. **Vgap温度特性**:通过特定设计,可以得到一个几乎不随温度变化的电压值,即带隙电压Vgap。这个电压值通常在1.2伏左右(对于硅材料)。 将这两种电压组合起来,可以通过适当的电阻比例调整来消除温度的影响,从而获得一个稳定的参考电压。 #### 三、设计要点 1. **温度补偿**:选择合适的电阻比以确保VBE和Vgap的温度效应相互抵消。这通常涉及到复杂的电路设计和仿真分析。 2. **电流镜像技术**:为了保持电路中各部分的电流一致性,常采用电流镜像技术。这样可以减少由于电流不匹配导致的误差。 3. **工艺兼容性**:带隙基准源的设计需要考虑与现有半导体制造工艺的兼容性,确保能够在标准的CMOS工艺中实现。 #### 四、实际应用案例分析 根据所提供的部分内容,James D. Beasom在IEEE Journal of Solid-State Circuits上发表的文章详细介绍了温度效应对带隙参考源的影响及其准确分析方法。这表明了带隙基准源不仅在理论上有着深入的研究,在实践中也得到了广泛的应用和发展。 - **温度效应分析**:通过精确地分析不同温度下PN结的特性,能够优化电路设计,提高参考电压的稳定性。 - **高精度应用**:在需要极高精度电压参考的场合,如高性能ADCDAC、精密放大器等,带隙基准源的准确性至关重要。 - **辐射硬化设计**:文章提到的辐射硬化设计意味着这些电路能够在极端环境下工作,如太空应用等。 #### 五、总结 带隙基准源作为一种基本但极其重要的电路组件,在模拟电子设计中扮演着不可替代的角色。通过对基本原理的理解、精确的设计以及在实际应用中的不断优化,带隙基准源能够为各种电子产品提供稳定可靠的电压参考,从而确保系统的整体性能。未来,随着对更高精度和更小尺寸的需求不断增加,带隙基准源的技术也将继续发展和完善。
  • 一种低温度系数低
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    本文介绍了一种创新性的带隙基准源设计方案,该方案在保证性能的前提下实现了更低的工作功耗和更小的温度影响系数。通过优化电路结构与参数选择,新方法显著提升了电子设备的稳定性和能效表现。 本段落设计了一种低温漂低功耗且无需trim的基准电压源,并采用低压共源共栅电流镜来减少输出电压对电源电压的影响。测试结果表明:电路在2 V电源电压下即可正常工作,输出基准电压为1.326 65 V;温度范围从-40℃到+85℃时,温漂系数仅为2.563 ppm/°C;当电源电压为3.3 V时,功耗低至2.81 μW。该电路适用于移动电子设备的应用场景。
  • 低压电压方法
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    本文探讨了低压环境下设计高效能带隙基准电压源的方法,旨在提高电路性能和稳定性。 本段落提出了一种在低电压供电条件下设计带隙基准电压源电路的方法。通过改进传统的带隙基准电路,该电路能够在600毫伏的输出基准电压下保持零温度系数的要求。