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B为高电平，M3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）。
附录
MOS器件尺寸表
Resistor尺寸
文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-535829.html
BJT尺寸
文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-535829.html
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