带运放的带隙基准设计与仿真解析

"这篇文档是关于带运放的带隙基准设计的教程，重点在于理解和设计带隙基准电路，以及如何使用Cadence IC5141进行仿真。内容包括电路分析、仿真及结果分析，旨在教授如何计算重要参数如温度系数和电源抑制比。" 在集成电路设计中，带隙基准是一种常用的电压基准源，其输出电压几乎不受温度变化的影响。在带运放的带隙基准设计中，运放起着关键的作用，帮助实现高精度的电压参考。以下是详细的知识点： 1. **电路分析**： - **偏置电路**：该电路为运放提供稳定的偏置电压，例如vb1和vb2，通常由晶体管和电阻网络组成。在这个例子中，M15,M16,M17和R1构成了偏置电路。 - **启动电路**：启动电路如M18,M19,M21,M22,M23，确保电路从零电流状态开始能正常启动。M21在启动过程中提供初始电压，然后其电流变得微不足道，不影响电路稳定运行。 - **带隙基准的主要部分**：主要包括两级运放和电阻、晶体管Q1和Q2。Q2的面积是Q1的八倍，这简化了版图设计。运放的输出与M20构成共源放大器，提高电源抑制比。 2. **电源抑制比（PSRR）**：电源抑制比是指基准电压对电源电压变化的抑制能力。在电路中，如果电源电压上升，运放的输出会相应调整，通过反馈机制使M9和M10的栅压上升，但由于R4的响应更快，反相输入端电压下降，从而保持输出稳定。 3. **温度系数**：电路设计中的一个重要参数是温度系数，它描述了基准电压随温度变化的比率。在这个设计中，通过R2和R3的比例（R2=3R3）以及晶体管Q1和Q2的不同尺寸，可以实现温度系数的补偿。 4. **基准电压**：由于I3=3I2（通过R2和R3的电流关系），结合二极管连接的BJT的基-发射极电压（Vbe）的温度特性，可以设计出一个基本恒定的电压基准。Vbe与温度的关系可通过以下公式表示：Vbe = Vbe(T0) * (exp(Ea/kT) - 1)，其中Ea是激活能量，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度。 5. **电路仿真实践**：使用Cadence IC5141工具进行电路仿真，可以帮助分析电路性能，包括验证温度系数和电源抑制比，以及评估其他关键参数。 通过这个实验，学习者将能掌握带运放的带隙基准设计原理，理解电路各个部分的功能，并具备实际操作中的仿真技能，这对于集成电路设计工程师来说是非常重要的基础知识。