目录摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (3)1.1基准源简介 (3)1.2带隙基准源研究的历史与现状 (3)1.2.1基准源设计历史 (3)1.2.2带隙基准源设计的研究现状 (4)1.3本文的主要工作 (4)第二章带隙基准源的工作原理及其基本结构 (5)2.1基本工作原理 (5)2.1.1与电源无关的偏置 (5)2.1.2与温度无关的基准源的实现 (6)2.2电路的两种基本结构 (9)2.3带隙基准源的性能指标 (11)2.4本文采用的两种基本结构的核心电路 (12)第三章基于Banba结构的带隙基准电压源 (14)3.1Banba结构原理图 (14)3.1.1电路组成 (14)3.1.2电路结构特点 (15)3.1.3电路结构具体分析 (15)3.2Cadence软件下的电路原理图及其仿真结果 (19)3.3本章小结 (26)第四章基于Cascode电流镜无运放结构的带隙基准电压源 (27)4.1Cascode结构原理图 (27)4.1.1电路组成 (27)4.1.2电路结构的特点 (28)4.1.3电路结构具体分析 (28)4.2Cadence软件下电路原理图及仿真结果 (30)4.3版图设计 (34)4.3.1本节内容概述 (34)4.3.2版图的设计规则简介 (34)4.3.3带隙基准源版图设计 (35)第五章结论与展望 (37)5.1两种电路的对比 (37)5.2展望 (37)参考文献 (38)致谢 (39)摘要CMOS带隙基准源是集成电路的重要组成部分,其输出的基准电压或基准电流不随温度或电源电压的变化而变化。
本文把CMOS带隙基准电压源当做研究对象，首先介绍了带隙基准源目前国内外的研究状况，然后详细介绍它的工作原理和两种基本结构，并指出本文考察的性能指标。
在此基础上，用两种不同的电路结构实现带隙基准电压源的设计，并用Cadence仿真工具基于GSMC0.18μm工艺下对其进行仿真和分析，并为第二个结构制作了版图。
第一个带隙基准电压源基于Banba结构的设计思想，在-40ºC～75ºC的温度范围内，温度系数约为37.19ppm/ºC，在0.000001Hz到1GHz频率范围内平均电源抑制比(PSRR)可达到-62dB，启动时间为77.76ns。
第二个带隙基准电压源基于Cascode电流镜结构的设计思想，在-40ºC～70ºC的温度范围内，温度系数约为3.805ppm/ºC，在0.000001Hz到1GHz频率范围内平均电源抑制比(PSRR)可达到-42dB，启动时间为30.04ns。
关键词:温度系数；CMOS带隙基准源；电源抑制比；AbstractCMOS bandgap reference occupies an important state among the integrated circuit,the output of the reference voltage or current reference will not change with the supply voltage or the temperature.For example,This paper mainly in a CMOS bandgap reference voltage source,introduces the development of domestic and foreign bandgap reference and the background of the research,and then reports the operating principle of it and the basic structure in detail,morever,it also reports its main performance parameters.On this basis,two different circuit structures are applied to achieve bandgap voltage reference design and simulation,while using Cadence tools under its basic GSMC0.18um to finish the layout for the second structure.The first bandgap reference voltage source is designed on basis of banba structure,based on GSMC0.18um process simulation，the results show temperature coefficient as low as37.19ppm/ºC over a temperature range of115ºC(-40ºC to 75℃),the power supply rejection ratio(PSRR)is up to-62dB in the frequency range of0.000001Hz to1GHz and the start time is77.76ns.The second one is designed on basis of cascode structure,based on GSMC 0.18um process simulation，the results show temperature coefficient as low as 3.805ppm/ºC over a temperature range of105ºC(-30ºC to75℃),the power supply rejection ratio(PSRR)is up to-42dB in the frequency range of0.000001Hz to 1GHz and the start time is33.04ns.Keywords:bandgap;temperature coefficient;power supply rejection ratio;第一章绪论1.1基准源简介随着集成电路设计不断向深亚微米工艺发展，它可制造的最小线宽也愈来愈小,目前已经可以达到45nm。
正因为这种发展趋势，它对电源电压的要求不断提高。
为了得到性能更好，成本更低的芯片，一些已经普遍应用的电路,我们都要对其结构进行重新设计，以优化其性能，例如在电源电压不断降低的情况下，电路还能正常工作。
设计集成电路时,除了带隙基准源(Bandgap)外，还有掩埋齐纳基准源(Zener)、XFET基准源。
而片上系统(SOC)的发展要求模拟集成电路能够具有很高的电源抑制比来抑制片上系统的耦合噪声，且兼容标准CMOS工艺。
虽然掩埋齐纳基准和XFET基准源这方面的确处理的很好，都具有低的温度系数和相对好的温度稳定性，但它们所用的工艺都不能兼容标准CMOS工艺。
恰恰相反，带隙基准源不仅能兼容CMOS工艺，而且其能够工作于低电源电压下，它的一些性能指标能够符合大部分系统的要求，如：噪声、温度系数和电源抑制比。
正是具备以上特点,带隙基准源有很不错的应用前景[1]。
1.2带隙基准源研究的历史与现状1.2.1基准源设计历史：⑴1964年，D.F.Hi lbiher利用扩散电阻、正向二极管和齐纳二极管得到了零温度系数的基准源。
⑵1971年，出现了相对于现在来说非常经典的Widlar电流源。
其基本原理就是用具有正温度系数的热电压V t和具有负温度系数的电压V be，通过加权方式来获取零温度系数的基准电压V ref。
当然,经典的Widlar带隙基准源也有缺点：①近似为零的温度系数只在某个温度点处才能实现，实际上，在某一温度范围之内，与温度T呈线性的△V be只能抵消与温度T呈非线性的V be的一部分。
②电压受到噪声的影响很大，一个很小的扰动，就会明显的影响输出的电压值。
③电压不能根据实际需要灵活的调节[2]。
1.2.2带隙基准源设计的研究现状[2]⑴低温度系数温度系数反映了在一个温度范围内，电压随温度变化的程度。
一般的带隙基准源电路会增加一阶补偿电路去降低温度系数，这样做，通常不能得到很好的温度性能，往往需要二阶或更高阶补偿。
而为在各项性能指标中做一个折中，本论文的Banba 结构采用了二阶密勒补偿。
⑵高电源抑制比（PSRR）电源抑制比（PSRR）用来反映电源电压波动对参考电压的影响程度。
本论文中对于Banba结构，通过采用二级密勒补偿以及提高运放的相位裕度来提高PSRR,而对于无运放的电路结构通过共源共栅电流镜(Cascode)以及调节电阻值的大小来提高基准源PSRR的性能。
⑶低功耗，低电源电压集成电路的发展所引起的晶体管尺寸的减小，进一步降低了模拟电路的工作电压。
要实现低电源电压，传统带隙基准源就必须改进。
例如，本论文中，对于Banba 结构，在晶体管的集电极旁边加了两个阻值相等的分流电阻[1]。
本文主要研究CMOS带隙基准源电压源，以下的基准源均指带隙基准电压源，下文不再重复。
1.3本文的主要工作第一章绪论，简要介绍了基准源的概念以及本文的主要工作。
第二章主要介绍了带隙基准的性能指标和工作原理。
第三章设计、仿真并分析了一种基于Banba思想的有运放结构的带隙基准电压源。
第四章设计、仿真并分析了一种基于Cascode电流镜的无运放结构的带隙基准电压源，简要介绍版图的设计规则及其注意点，并对本章的带隙基准源做了版图设计。
第五章对本文的工作的不足进行讨论与总结。
第二章带隙基准源的工作原理及其基本结构2.1基本工作原理[3]带隙基准源最基本的要求：1、与电源无关；2、与温度无关（理想情况）。
所以带隙基准源的关键是如何偏置及如何调节温度系数。
2.1.1与电源无关的偏置[3]本节以镜像电流源为例，讨论如何产生一个与电源电压无关的参考电流，如何产生一个I ref ，使其不随V dd 变化而变化。
如图2.1所示，。
其中M 2的尺寸是M l 的K 倍。
M 3与M 4的宽长比相同，K 为常数。
I ref 为I out 的镜像电流，且I out =I ref 。
由上图知：GS1GS2OUT 1V V I R =+(2.1)即图2.1β倍增基准电路M l ，M 2为NMOS 管，M 3，M 4为PMOS 管由M 3和M 4组成的PMOS 电流镜的目的是为了保证流过M 2和M 1的漏电流相等。