【模拟CMOS集成电路设计】带隙基准（Bandgap）设计与仿真
前言一、 设计指标二、 电路分析三、 仿真测试3.1测试电路图3.2测试结果(1)基准温度系数仿真(2)瞬态启动仿真(3)静态电流仿真(4)线性调整率仿真(5)电源抑制PSR仿真 四、测试结果五、总结附录MOS器件尺寸表Resistor尺寸BJT尺寸前言
此次设计，未使用运放，使用电流镜结构为基础的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。
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TSMC 18um工艺，采用电流镜结构为基础，设计参数要求电源抑制 P S R < − 40 d B PSR < -40dB PSR<−40dB，因此需要采用Cascode电流镜提高， 对于cascode结构的采用，需要注意电压裕度的问题，本次设计电源电压3.3V，对于TSMC18工艺，“pmos3v” 晶体管，阈值电压 V T H P ≈ 0.7 V V_{THP}≈0.7V VTHP≈0.7V，对于NMOS器件，选取中等阈值电压的“nmosmvt3v”晶体管，其阈值电压 V T H N ≈ 0.5 V V_{THN}≈0.5V VTHN≈0.5V,堆叠的MOS管由于衬偏效应，其阈值电压可能更高，甚至达到 0.8 ∼ 1.1 V 0.8\sim 1.1V 0.8∼1.1V，对于PNP二极管，当 I B E = 10 u A I_{BE}=10uA IBE=10uA时， V B E ≈ 0.7 V V_{BE}≈0.7V VBE≈0.7V。因此经过初步判断，采用普通堆叠cascode电路无法正常工作，需要采用低压的Cascode结构，才能满足需求。
考虑到功耗指标，对电流进行分配，Bandgap电路两支路与电流镜复制输出的电流，均为10uA。
为方便的实现输出基准电压 0.6 ∼ 1.2 V 0.6\sim 1.2V 0.6∼1.2V，优先考虑采用电流模结构，通过电流镜复制零温度系数的电流，通过电阻转换成零温度系数的电压输出，通过电阻分压，实现多电压输出。
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。
M1-M5构成启动电路，当电源上电时，启动电路让电路在上电时摆脱简并偏置点，使Bandgap电路脱离零状态的工作点，进而稳定在期望的工作状态下。电源上电瞬间，Vbias=0，M1保持关断，节点A为高电平，处于导通状态；M4-M5构成线性电流镜，通过复制的电流为节点B充电，帮助Bandgap下半部分电路开启；当Bandgap完全开启， V b i a s ≈ 0.7 V V_{bias}≈0.7V Vbias≈0.7V，M1开启，进而节点B拉低，M3截止，启动电路关闭。
M6-M12与R8-R9构成低压Cascode电流镜自偏置结构，控制M6与M7的电位近似相等，即 V C = V D V_C=V_D VC=VD ，流过R1的电流为 ( ∣ V B E 0 ∣ − ∣ V B E 1 ∣ ) / R 1 = Δ V B E / R 1 , \begin{aligned}(|V_{BE0}|& -|V_{BE1}|)/R_1=\Delta V_{BE}/R_1,\end{aligned} (∣VBE0∣−∣VBE1∣)/R1=ΔVBE/R1,，温度系数为正，流过R3的电流 V D / R 3 = V C / R 3 = ∣ V B E 0 ∣ / R 1 V_D/R_3=V_C/R_3=|V_{BE0} |/R_1 VD/R3=VC/R3=∣VBE0∣/R1，温度系数为负，正负温度系数的电流再节点D上合成，进而得到零温度系数的电流，然后通过电流镜复制，零温度系数的电流在电阻上产生零温度系数的电压，假设Cascode电流镜复制比例为1，最终输出的基准电压如式(1.1)所示
其中M为输出电流镜的复制倍数，设置为1。
其中电路功耗主要有电阻R1确定，电路正常工作时，启动电路关闭，但由于M1的开启，因此仍有部分静态电流 I S I_{S} IS（分配5uA），Cascode电流镜与输出电流镜均为等比例复制，满足 I M 12 = I M 13 = I M 14 I_{M12}=I_{M13}=I_{M14} IM12=IM13=IM14，R1所在支路电流如式（1.2）所示。
三、 仿真测试
3.1测试电路图
3.2测试结果
(1)基准温度系数仿真
通过dc仿真，将温度从-40~125℃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 = 8.07 p p m / ℃ TCV=(V_{max}-V_{min})/(V_{ref}×(T_{max}-T_{min}))×10^6=8.07ppm/℃ TCV=(Vmax−Vmin)/(Vref×(Tmax−Tmin))×106=8.07ppm/℃测试结果如图3.1所示。
(2)瞬态启动仿真
通过tran仿真，电源在10ns开始上电，在90ns上升到3.3V观察输出电压，通过图3.2，该电路图可正常启动。
(3)静态电流仿真
固定电源电压为3.3V，对温度从 − 40 ∼ 125 ℃ -40\sim125℃ −40∼125℃进行仿真，观察所有支路的总电流，如图3.3所示，电流最大 31 u A 31uA 31uA 满足设计指标。
(4)线性调整率仿真
通过dc仿真将电源电压从0~5V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 % = 1.95 m V / V S_{LINE}=(V_{max}-V_{min})/V_{ref} ×100\%=1.95mV/V SLINE=(Vmax−Vmin)/Vref×100%=1.95mV/V
(5)电源抑制PSR仿真
通过AC仿真，在电源电压加小信号波动，观察输出，测量PSR，通过图3.5可知，在低频为 P S R = − 48.17 d B PSR = -48.17dB PSR=−48.17dB，满足设计指标。
四、测试结果
本次Bandgap设计，输出三个基准电压，分别为 0.4 V 、 0.8 V 、 1.2 V 0.4V、0.8V、1.2V 0.4V、0.8V、1.2V，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，通过基于低压cascode电流镜结构的电流模结构，实现预设性能指标，但性能仍有待提升，由于cascode电流镜结构需要更大的电压裕度，因此对低压应用有严格限制，可换用电压模+Buffer结构对相关指标进一步优化。或者采用运放结构（但是电流应该合理分配，甚至运放中一些管子可以工作在亚阈值区，满足低功耗要求）。
