带隙基准.pdf

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10/100M以太网收发器带隙基准源设计以太网收发器带隙基准源设计摘要：

带隙基准源是当代模拟集成电路极为重要的组成部分，广泛应用于收发器、数模转换器、模数转换器、数模混合集成电路、线性稳压器、高精度比较器、随机存取存储器、闪存等，是其中不可或缺的重要单元，其性能直接影响到整个系统的性能。

本文首先介绍了CMOS带隙基准源的研究现状和选题背景及意义。

分别采用集成芯片MC1403和TL431设计了基于基本电子电路的带隙基准，在模拟仿真软件Multisim13.0下仿真原理图，输出电压达到1.25V1%。

设计了基于标准CMOS工艺的带隙基准电压源，包括核心电路、运算放大器和偏置电路的设计。

在5V电源电压下，基于中芯国际0.35mCMOS2P3M工艺，利用Spectre仿真器对带隙基准电压源电路进行模拟仿真，最终得到电源电压抑制比（PSRR）大于70dB，温度系数（TC）小于10ppm/C，基准输出电压1.25V0.3%。

最后利用CadenceVirtuoso设计工具，对电路进行版图设计，并通过验证。

关键词：

带隙基准；版图；温度系数；电源电压抑制比IIDesignof10/100MEthernettransceiverbandgapreferencesourceAbstract:

Bandgapreferencesourceareanessentialpartofmodernanalogintegratedcircuit,andwidelyusedinthetransceiver,DAC,ADC,SOC,LDO,precisioncomparator,RAM，FLASH.Itisoneofindispensableimportantunit.Itsperformancedirectlyaffectstheperformanceofthewholesystem.Inthispaper,firstintroducestheresearchactualityofCMOSbandgapreferencesourceandtheselectedtopicbackgroundandsignificance.RespectivelyusingintegratedchipMC1403andTL431basicelectroniccircuitdesignbasedonthebandgapofthebenchmark,underthesimulationsoftwareMultisim13.0simulationschematicdiagram,theoutputvoltageof1.25V1%.BasedonstandardCMOSbandgapvoltagereferencesource,includingcorecircuit,operationalamplifier,andthedesignofthebiascircuit.Underthe5Vpowersupplyvoltage,basedontheSMIC0.35mCMOS2P3Mprocess,usingtheSpectresimulatorwascarriedoutonthebandgapvoltagereferencesourcecircuitsimulation,finallygetthePowerSupplyRejectionRatio（PSRR）isgreaterthan70dB,TemperatureCoefficient（TC）islessthan10ppm/C,benchmarkoutputvoltageof1.25V0.3%.FinallyusingCadenceVirtuosodesigntool,designofcircuitlayoutandthroughthevalidation.Keywords:

BandgapReference;Layout;PowerSupplyRejectionRatio;TemperatureCoefficientIII目录目录第1章绪论11.1带隙基准源概述11.1.1带隙基准源的研究现状11.1.2研究目的及意义31.2论文主要工作和结构3第2章带隙基准基本原理52.1与电源无关的偏置52.2与温度无关的基准52.2.1负温度系数电压62.2.2正温度系数电压72.3带隙基准的产生82.4带隙基准的性能指标82.5几种传统带隙基准结构102.5.1Widlar带隙基准源102.5.2Brokaw带隙基准源112.5.3CMOS带隙基准122.6本章小结13第3章带隙基准源设计143.1带隙基准的原理图设计143.1.1基于MC1403的基准源设计143.1.2基于TL431的基准源设计153.2基于CMOS工艺的基准源设计173.2.1设计指标173.2.2带隙基准源架构173.2.3核心电路设计203.2.4运放设计223.2.5偏置电路设计23IV3.2.6整体电路实现233.2.7仿真分析253.3本章小结27第4章带隙基准版图设计284.1版图设计考虑因素284.1.1匹配性考虑284.1.2抗干扰性考虑294.1.3失效机制的考虑294.2带隙基准源版图设计304.2.1电阻的版图304.2.2双极晶体管的版图304.2.3电容的版图314.2.4带隙基准总体版图314.2.4版图的验证324.3本章小结33结论34致谢35参考文献361第第1章绪论章绪论集成电路已经发展到系统级芯片（SOC）的阶段，随着半导体工艺的进步，CMOS电路的低成本、低功耗以及速度的不断提升，模拟集成电路技术的不断改进，CMOS集成电路设计在SOC中变得越来越重要。

基准源是模拟集成电路中常见的重要组成模块，被广泛应用于需要高精度的参考电位电路中，比如高精度比较器、ADC、DAC、收发器、RAM、FLASH等。

在众多基准源中，带隙基准源因其良好的温度特性和电路结构而受到广泛应用。

1.1带隙基准源概述带隙基准源泛应用于收发器、比较器、ADC、DAC、RAM、FLASH中，是必不可少的重要单元，其性能的好坏直接影响整个系统的性能。

带隙基准源包括基准电压源和基准电流源，基准电压源可为系统提供直流参考电压，基准电流源可为系统提供参考电流。

本文重点讨论基准电压源，之后提到的所有基准源是指基准电压源。

集成电路包括三种基准源：

掩埋齐纳基准源、XFET基准源和带隙基准源。

掩埋齐纳基准源有很高的初始精度，小的温度系数和好的漂移稳定性，通常要求较高的电源电压。

XFET基准源是一种新型的基准电压源，它的峰一峰值噪声电压比带隙基准源要低，具有十分平坦或线性的温度特性曲线。

带隙基准源是一种能工作在低电源电压下、高电源抑制比（PSRR）、低温度系数（TC）、与CMOS工艺相兼容的基准源。

CMOS带隙基准由于具有良好的性能、价格适中且容易集成等特点，成为当今基准源的主流技术。

本文将主要讨论CMOS带隙基准源。

1.1.1带隙基准源的研究现状早在1964年，DFHilbiher利用扩散电阻、齐纳二极管和正向二极管得到了具有零温度系数的基准源，但是其元器件类型较多，并且对工艺要求比较高，噪声大。

1971年，由RobertWidlar等人又提出了一种仅用晶体管来实现基准源的方案，即经典的Widlar带隙基准源，其基本原理就是用具有正温度系数的热电压VT和具有负温度系数的电压Vbe，通过加权的方式来获取零温度系数的基准电压Vref。

但Widlar带隙基准源存在三个缺点：

1、只有在某个特定的温度点处才实现近似为零的温度系数，因此得到的温度系2数不能满足高精度系统的要求。

2、电源电压抑制比不够理想，在电源噪声较大时，输出基准电压受到噪声的影响很大。

3、基准输出电压非常固定，不能根据实际需要灵活调节，往往不能满足实际的需要。

近几年，CMOS因其高集成度、低功耗和设计简单等特点迅速占领了数字产品市场。

由于其成本下降和系统集成度提高，人们用标准CMOS工艺来生产高性能器件。

近年来CMOS带隙基准电压源的研究一直很快速。

国内外对CM0S带隙基准电压源做了大量的深入研究，最新的技术主要体现在以下四个方面：

1、低温度系数低温度系数的带隙基准电压源对高精度系统如高精度收发器、DAC、ADC极为重要，而传统的带隙基准电压源电路仅对输出电压进行了低阶补偿，其温度系数一般在几十个ppm/K，一般不能满足高精度系统需求，需要进行高阶补偿。

温度系数作为带隙基准电压源重要的参数指标之一，已经产生了许多的技术改，如二阶、三阶补偿、对数补偿和指数补偿等，而且补偿方式也有很多种，例如电压叠加补偿法、电流相减补偿法、阶段性电流模式补偿、电阻电压降的叠加来实现低温度系数的曲率补偿等，一般可以得到几个ppm/K的低温度系数值。

2、低电源电压随着大规模、超大规模集成电路的迅速发展和晶体管特征尺寸的不断减小，要求集成电路的电源电压进一步降低。

随着电源电压的不断降低，传统带隙基准电路在低压下的实现变得异常困难。

要实现低电源电压的带隙基准源，通常需要采用特殊结构对传统带隙基准源电路进行改进。

3、高电源纹波抑制比随着射频集成电路和数字集成电路的发展，电源抑制比已成为了带隙基准源在数模混合集成电路中的一个重要衡量标准之一，在数模混合集成电路中，数字电路部分的噪声可能会对模拟电路部分产生不利的影响。

因此在混合集成电路中带隙基准电压源应该具有良好的电源电压抑制比性能。

4、低功耗随着微电子技术的迅速发展和便携式电子产品的盛行，要求整个电路设计应向低功耗方向不断发展。

电路与系统的低功耗设计一直都是电子工程师设计时需要重点考3虑的因素。

1.1.2研究目的及意义以太网技术已经历了标准以太网、快速以太网、千兆以太网等阶段，万兆以太网技术也逐渐成熟。

均衡技术能够充分利用信道有限带宽从而提高信号的传输速率与传输距离。

均衡器的核心电路需要一个稳定的且不随温度和工艺变化的偏置电流，所以必须要设计偏置电路，为核心电路提供所需电流。

带隙基准电压源是目前最流行的基准源产生技术。

带隙基准电压源电路分别为均衡器核心电流的两条差分对称电路提供直流偏置电流。

随着集成电路产业的发展与半导体制造工艺技术的发展，人们对带隙基准源电路的性能提出了较高的要求，如要求带隙基准电路应具有低电源电压工作、低温度系数、低功耗、低线性调整率、高电源抑制等特性。

随着CMOS工艺的快速发展，其所能工作的频率也越来越高，已能够满足快速数据传输要求，CMOS工艺的带隙基准电压源研究也得到了快速的发展。

因此，研究收发器带隙基准电压源有现实意义和实用价值。

1.2论文主要工作和结构本文主要针对电子元器件和CMOS工艺的带隙基准做了简单分析，根据设计指标完成相应的电路设计和参数的确定。

通过参考阅读大量的文献和论文，学习带隙基准的设计流程、思想和方法。

本文利用仿真软件Multisim13.0和cadenceic5141对设计的电路图进行仿真、分析及调试，直到达到指定目标参数要求。

设计了带隙基准的版图，并通过验证。

论文的主体结构如下：

第一章是绪论，主要介绍了目前国内外带隙基准源的研究现状、本课题的研究目的及意义和论文的主要工作。

第二章是带隙基准的原理分析。

主要从与电源无关的偏置和与温度无关的偏置进行了原理的研究及分析，接着从温度系数，电源抑制比等方面分析了带隙基准的各个性能参数。

并在此基础上分析了几种传统的带隙基准源的结构和工作原理。

第三章根据对带隙基准的原理研究及分析完成给定指标的电路设计和