集成電路課程設(shè)計(jì)

一、 功能描述設(shè)計(jì)一個(gè)一階補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路，參數(shù)要求如下：全溫度特性溫度漂移系數(shù)小于30ppm/°C輸出電壓大約為1.2+0.1V二、 電路設(shè)計(jì)帶隙基準(zhǔn)的基本原理帶隙基準(zhǔn)的基本原理是將兩個(gè)擁有溫度系數(shù)相反的電壓以合適的權(quán)重相加，最終獲得具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。雙極性晶體管具有以下兩種特性：①雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓（Vbe）電壓與絕對(duì)溫度成正比；②在不同的集電極電流下，兩個(gè)雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對(duì)溫度成正比。因此，雙極性晶體管可以構(gòu)成帶隙電壓基準(zhǔn)的核心。1） 負(fù)溫度系數(shù)電壓對(duì)于一個(gè)雙極型晶體管，其集電極電流與基極-發(fā)射極電壓的關(guān)系為I=Iexp（VBE/V）其中，Is是雙極型晶體管的把螯合電流；V=kT/q，k為玻爾茲曼償還蘇，q為電子電荷。進(jìn)一步利用飽和電流I的計(jì)算公式，可以得到V的溫度系數(shù)為s BEdv v-（4+m）V-E/q滯—T從上式可見(jiàn)，V電壓的文帝系數(shù)與溫度本身有關(guān)，因此如果正溫度系數(shù)是一個(gè)固定值，BE與溫度無(wú)關(guān)，那么在帶隙電壓基準(zhǔn)的溫度補(bǔ)償中就會(huì)出現(xiàn)誤差。2） 正溫度系數(shù)電壓如果兩個(gè)同樣的晶體管偏置的集電極電流分別為nI0與I。，并且忽略他們的基極電流，那么它們的基極-發(fā)射極電壓差值為脂VBE1-VBE2一nI一I一=VIni-VInf=VInnS1 S2因此，v^的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)，這個(gè)溫度系數(shù)與溫度本身以及集電極電流無(wú)關(guān)。3） 實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓利用上面的正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓，可以設(shè)計(jì)一個(gè)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，有以下關(guān)系：匕/氣匕+6*lnn）通過(guò)設(shè)置合適的參數(shù)可以獲得零溫度系數(shù)電壓。帶隙基準(zhǔn)的電路圖1）整體電路的設(shè)計(jì)帶隙電壓基準(zhǔn)的基本電路圖有兩種，一種是利用PTAT電流產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)，另外一種是采用運(yùn)算放大器輸出端產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，本次設(shè)計(jì)最終采用拉扎維《cmos模擬集成電路設(shè)計(jì)》

書(shū)上采用的電路圖1:圖1整體電路圖2）放大器電路的設(shè)計(jì)帶隙基準(zhǔn)所需要的放大器需要高增益，但是對(duì)頻率響應(yīng)要求不高，所以選擇在簡(jiǎn)單的差分放大電路后面加一級(jí)共源放大電路獲得所需要的高增益放大，如圖所示，管子的尺寸做的與差分放大電路基本一樣，可以獲得相同的放大增益，如圖為放大器電路圖2：如圖為放大器偏置電壓電路圖33.

3.1)電路所需參數(shù)的獲取通過(guò)讀取TMIC0.35um提供的spice仿真庫(kù)，以老師實(shí)際建模的能夠正常工作的一級(jí)差分放大電路為模型，測(cè)量計(jì)算得到以下參數(shù)：pmos_3p3RC=30u人=0.2VTH=0.8Vnmos_3p3RC=110u人=0.1VTH=0.85V對(duì)于本電路最重要的一個(gè)參數(shù)是pnp管的溫度漂移系數(shù)，對(duì)于這個(gè)系數(shù)通過(guò)實(shí)際搭建簡(jiǎn)單電路進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下，在27°C,vpnp2*2尺寸的溫漂系數(shù)為1.35mv/°C2)電路參數(shù)的計(jì)算由電路原理得V=V+(VInmn)(1+R)1dV dV outdT由于V/dT=1.3mvC=嘰+E(lnmn)(1+R)dT dT R1dV/dT=0.087mv/C，所以可以計(jì)算得到T(R/R+1)lnmn=15.5，取R/R=4,即取R2=8K，R1=2K，則得到lnmn=3.1，則mn=24.5,2 1 2 1取m=3，n=9，通過(guò)放大器的反饋?zhàn)饔?，可以將如圖x，y兩點(diǎn)的電壓鉗制為相同值，則R1電阻兩端的電壓為京e=Vln(mn)計(jì)算可以知道nI=AVBe/￡=40wA進(jìn)一步可以得到ml=14uA，顯然M0與M1管為放大器兩邊提供電流源，放大器的輸出通過(guò)兩個(gè)支路的電流互相反饋鉗制在一個(gè)固定值，由于電源電壓為3.3V，Vbe大約為0.75V，所以取放大器的輸出鉗制在2V，然后可以得到M0管與M1管的寬長(zhǎng)比。利用公式I=1RC—(V-V)2D2PoxLGSth代入各自的電流，得到M0的寬長(zhǎng)比為9,M1的寬長(zhǎng)比為15.按照這個(gè)結(jié)果可以求的V^=1.17V4.電路的spice前仿

1)放大電路的前仿，放大器采用了差分放大電路+共源放大電路的兩級(jí)運(yùn)放，最后獲得的放大增益與相頻特性如圖:圖4幅頻特性與相頻特性如圖4放大增益可以達(dá)到80dB。2)電路的仿真優(yōu)化PNP管個(gè)數(shù)的優(yōu)化理論設(shè)計(jì)pnp管的個(gè)數(shù)為9,即n=9，但實(shí)際可能存在誤差，所以通過(guò)仿真可以具體確定所需pnp管的個(gè)數(shù)，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)pnp管的個(gè)數(shù)達(dá)到11個(gè)時(shí)才能夠表現(xiàn)出較好的溫度特性曲線，所以最終電路圖中采用11管pnpM0管參數(shù)優(yōu)化理論計(jì)算知道M0管寬長(zhǎng)比為10時(shí)溫度特性曲線最好，通過(guò)實(shí)際仿真優(yōu)化發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)際完全一致，如圖所示，當(dāng)M0管寬長(zhǎng)比為10時(shí)，溫度特性曲線最好通過(guò)理論計(jì)算得到M1的寬長(zhǎng)比為15,但實(shí)際仿真的結(jié)果顯示當(dāng)寬長(zhǎng)比為23時(shí)，溫度特性曲線最好，如圖61,230R1=”8.2K‘R1=”7.6K‘-10,020,050,0temp(1,230R1=”8.2K‘R1=”7.6K‘-10,020,050,0temp(C80,0110140圖6M1管參數(shù)優(yōu)化圖d）電阻R1的優(yōu)化選取的電阻兩個(gè)一個(gè)為8K,一個(gè)為2K,通過(guò)仿真優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)R2=7.9K時(shí)電路特性最好，如圖7bandgapbcndqap_2schematic:Sep1620:4-3:542014Expressions+:R1='B4K”；x：R1='B3K'o：R1=”7.9K”；v：R1=”7.8K”；a：R1=”7.7K‘1,2201,2101,2001,1901,1801,170700m-40.0 20,0 80,0temp(C)700m-40.0 20,0 80,0temp(C)A:1-21890,495m)delta:[1IB-151.1"4m)B:商gm:—LM114eo：VS(M/net1H)800m140900m圖7電阻R1參數(shù)優(yōu)化圖3）負(fù)溫度系數(shù)與正溫度系數(shù)的測(cè)量結(jié)果通過(guò)以溫度為掃描變量的直流掃描可以得到電路的負(fù)溫度系數(shù)特性與正溫度系數(shù)特性曲線分別如圖所示，其中圖8為負(fù)溫度系數(shù)，溫度實(shí)際為1.28mv/°C圖8負(fù)溫度系數(shù)曲線80,0m70,0m34.2229mJA:f-G,&573S2,2S2Jm)delta:(施，濁B:11EL5E；5e).3WL?130mD：(VS(Vnet1-)--40.0 -1€I020,0 50,0 80,0temp(C)140120m110m>100m90,0m圖9正溫度特性曲線圖9為正溫度特性曲線，溫漂系數(shù)為321uV/°C溫度特性曲線溫度特性曲線作為帶隙電壓基準(zhǔn)最重要的參數(shù)，其溫度漂移系數(shù)決定電路的整體性能，因此我們測(cè)量了全溫度特性曲線，如圖10即從-40到125C的電壓變化，測(cè)量結(jié)果顯示最大偏差為3.98mv，通過(guò)溫度漂移系數(shù)的計(jì)算可以知道：T=―匕ax_匕in—X106(ppm/C)=3.98mv*106=20.2ppm/CV(T-T) 1.197*165ga"maxminbandgapbandgap_2schematic:Sep1619:57:332014Expressions 21,20001,1990^1,1980^1,19701,19601,1950-40.0 20,0 80,0 140temp(C)A:(251,19977)delta:(99.7904B:如4了93L19573) ml□□印T9,呂954u圖10溫度特性曲線PSR特性曲線仿真電源抑制比是衡量電路對(duì)電源線上噪聲的抑制能力的參數(shù)，對(duì)于帶隙電壓基準(zhǔn)定義為電源電壓變化引起的輸出增益的倒數(shù)，我們?cè)陔娫措妷荷席B加一個(gè)小的交流信號(hào)，然后進(jìn)行交流仿真，可以得到如下仿真圖11：

6）上電特性對(duì)于一般的帶隙基準(zhǔn)存在0偏執(zhí)點(diǎn)，所以有時(shí)候需要啟動(dòng)電路，考慮到時(shí)間問(wèn)題，采用了不外加啟動(dòng)電路的放大，同樣仿真出了上電特性，上電特性是通過(guò)將電源改成脈沖波的形式進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖：三、版圖設(shè)計(jì)版圖設(shè)計(jì)思路本次課程設(shè)計(jì)采用0.35um工藝，考慮到不用實(shí)際流片，所以在電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)采用較大的溝道長(zhǎng)度，提高器件的可靠性，為了減少設(shè)計(jì)周期，采用臺(tái)積電提供的PDK庫(kù)來(lái)完成器件的設(shè)計(jì)，整體只需要考慮器件的布局與連線，為了減少錯(cuò)誤率，先將放大器與偏置電路局部版圖，然后連接到一起整體布局，整體版圖如圖13版圖面積為79*95um

圖13圖13版圖四、版圖驗(yàn)證四、1.DRC檢查DRC檢查是檢查版圖是否符合版圖設(shè)計(jì)規(guī)則，通過(guò)不斷差錯(cuò)，最終無(wú)DRC檢查錯(cuò)誤，檢查結(jié)果如下Topcellbandgap:NoResultsCellbandgapTopcellbandgap:NoResultsCellbandgap:0Results圖14DRC檢查結(jié)果2.LVS檢查L(zhǎng)VS檢查是檢查版圖是否與電路圖一致，最終檢查結(jié)果顯示只有一個(gè)與電阻相關(guān)的錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)是軟件在自己提取電阻的網(wǎng)表時(shí)忽略掉了襯底電極導(dǎo)致，檢查結(jié)果如圖15

圖15LVS檢查結(jié)果3.PEX參數(shù)提取結(jié)果通過(guò)對(duì)電學(xué)參數(shù)的提取，可以進(jìn)行相應(yīng)的版圖后仿，PEX提取部分結(jié)果如圖16：圖16版圖電學(xué)參數(shù)提取結(jié)果五、結(jié)果分析及性能評(píng)估：網(wǎng)表數(shù)據(jù)auCdlNetlist:*LibraryName:bandgapTopCellName:bandgapViewName: schematicNetlistedon:Sep2010:54:302014*************************************************************************.EQUATION*.SCALEMETER*.MEGA*.GLOBALgnd!+ vdd!*.PINgnd!*+vdd!““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““************************************************************************LibraryName:bandgapCellName: comp_ampViewName: schematic““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““************************************************************************.SUBCKTcomp_ampinipvcnvout*.PININFOin:Iip:Ivcn:Ivout:OMNM0voutvcngnd!gnd!nmos_3p3W=30uL=1uM=1MM4net50vcngnd!gnd!nmos_3p3W=30uL=1uM=1MM3net060ipnet50gnd!nmos_3p3W=40uL=1uM=1MM0net033innet50gnd!nmos_3p3W=40uL=1uM=1MPM0voutnet033vdd!vdd!pmos_3p3W=20uL=1uM=1MM2net060net060vdd!vdd!pmos_3p3W=20uL=1.5uM=1MM1net033net060vdd!vdd!pmos_3p3W=20uL=1.5uM=1.ENDS““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““************************************************************************LibraryName:bandgapCellName:IbiasViewName:schematic““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““************************************************************************.SUBCKTIbiasvn*.PININFOvn:ORR0net20gnd!1.99887K$[nplus_u]MNM3vnvngnd!gnd!nmos_3p3W=10uL=1uM=1MNM1vdd!net020vngnd!nmos_3p3W=8uL=500nM=1MNM0net020net020gnd!gnd!nmos_3p3W=100uL=350nM=1MNM2net038vnnet20gnd!nmos_3p3W=10uL=1uM=1MPM0net020net020vdd!vdd!pmos_3p3W=100uL=350nM=1MPM2vnnet038vdd!vdd!pmos_3p3W=10uL=1uM=1MPM1net038net038vdd!vdd!pmos_3p3W=10uL=1uM=1.ENDS““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““************************************************************************LibraryName:bandgapCellName:amp_IdiasViewName:schematic““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““************************************************************************.SUBCKTamp_Idiasinipvout*.PININFOin:Iip:Ivout:OXI1inipnet8vout/comp_ampXI0net8/Ibias.ENDS““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““““************************************************************************LibraryName:bandgapCellName:bandgap*ViewName:schematic,SUBCKTbandgapVout*.PININFOVout:ORR1net15net61.99887K$[nplus_u]RR0Voutnet157.9008K$[nwell]QQ2gnd!gnd!net6vpnp_2x2M=1$EA=4e-12QQ3gnd!gnd!net6vpnp_2x2M=1$EA=4e-12QQ4gnd!gnd!net6vpnp_2x2M=1$EA=4e-12QQ5gnd!gnd!net6vpnp_2x2M=1$EA=4e-12QQ6gnd!gnd!net6vpnp_2x2M=1$EA=4e-12QQ7gnd!gnd!net6vpnp_2