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
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(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 $PSR < - 40 d B$ ，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 $V_{THP}≈0.7V$ ，对于NMOS器件，选取中等阈值电压的“nmosmvt3v”晶体管，其阈值电压 $V_{THN}≈0.5V$ ,堆叠的MOS管由于衬偏效应，其阈值电压可能更高，甚至达到 $0.8\sim 1.1V$ ，对于PNP二极管，当 $I_{BE}=10uA$ 时， $V_{BE}≈0.7V$ 。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 $0.6\sim 1.2V$ ，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。
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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， $V_{bias}≈0.7V$ ，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 $V_C=V_D$ ，流过R1的电流为 $\begin{aligned}(|V_{BE0}|& -|V_{BE1}|)/R_1=\Delta V_{BE}/R_1,\end{aligned}$ ，温度系数为正，流过R3的电流 $V_D/R_3=V_C/R_3=|V_{BE0} |/R_1$ ，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

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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 $I_{S}$ （分配5uA），Cascode电流镜与输出电流镜均为等比例复制，满足 $I_{M12}=I_{M13}=I_{M14}$ ，R1所在支路电流如式（1.2）所示。
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三、仿真测试

3.1测试电路图

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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 $TCV=(V_{max}-V_{min})/(V_{ref}×(T_{max}-T_{min}))×10^6=8.07ppm/℃$ 测试结果如图3.1所示。
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(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。
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(3)静态电流仿真

固定电源电压为3.3V，对温度从 $-40\sim125℃$ 进行仿真，观察所有支路的总电流，如图3.3所示，电流最大 $31 u A$ 满足设计指标。
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(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 $S_{LINE}=(V_{max}-V_{min})/V_{ref} ×100\%=1.95mV/V$
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(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 $PSR = - 48.17 d B$ ，满足设计指标。

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四、测试结果

本次Bandgap设计，输出三个基准电压，分别为 $0.4 V 、 0.8 V 、 1.2 V$ ，通过仿真测得相关参数，结果汇总如表2所示。
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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）。