一种高电源抑制比带隙基准源的设计

龚美霞 ， 丁宁

南京信息职业技术学院 10046

0 引言

带隙基准是所有基准电压中最受欢迎的一种，由于其具有与电源电压、工艺、温度变化几乎无关的突出优点，所以广泛应用于高精度的比较器、A /D 或D/A 转换器、LDO 稳压器以及其它许多模拟集成电路中。带隙基准的主要作用是在集成电路中提供稳定的参考电压或参考电流，因此这就要求基准对电源电压的变化和温度的变化不敏感。本文结合工程实际的要求设计了一款具有高的电源抑制比（PSRR）、低的输出基准电压的带隙基准电压源。本次设计采用SMIC公司的0.18μm工艺进行仿真，Hspice的仿真结果表明该基准源在电源抑制比(PSRR)、温度特性等方面有良好的性能。

1 带隙基准的基本原理

带隙基准的基本原理是根据硅材料的带隙电压和温度无关的特性，利用△VBE的正温度系数与双极型晶体管VBE的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。双极型晶体管提供发射极偏压VBE；由两个晶体管之间的△VBE产生VT，通过电阻网络将VT放大α倍；最后将两个电压相加，即VREF=VBE+αVT，适当选择放大倍数α，使两个电压的温度漂移相互抵消，从而可以得到在某一温度下为零温度系数的电压基准。

2 电路设计与性能分析

2.1 电路结构

本文设计所采用的整体结构如图1所示，其中运算放大器的结构如图2所示。

图1 整体带隙结构

图2 运放结构

图1中的3只PMOS管参数相同，因此流过它们的电流也相同，于是得输出基准电压：

其中N为Q2与Q1的发射区面积之比，通过调节参数可使输出基准电压在某一温度下温度系数为零；另外，通过选取不同R3的值，可得到不同的基准电压。

2.2 性能分析

在该基准源电路中，其中一个重要的指标是电源电压抑制比PSRR。提高PSRR可以从器件本身或电路结构的设计两方面来实现，对于给定工艺的前提下，只能通过电路结构设计的优化改善PSRR。通常在电路中使用负反馈控制的原理，根据图1分析，当电源电压升高，引起电流增大，运放两输入端的电位均升高，但电阻R2上面的电压降是线性增大的，而二级管上的电压降是呈对数上升的，其上升的速度低于R2上的电压降，所以运放由于输入正电压使得输出电压上升，这样将导致电流减小，即形成深度负反馈使电流稳定，也就是输出电压与电源电压基本无关。此外，当电源电压变化时，将使运放的输出电压Vo也跟随变化，Vo的跟随特性不好会影响输出基准电压的精度，电源变化可能对VBE产生影响，这就需要运放能将这种影响反映出来，也就是说运放的PSRR要高，所以选择P差分对输入的运放。

对于基准源的另一个重要指标温度系数来讲，它与运放的性能也有密切的关系。如果温度升高，由于电阻有较大的温度系数，导致运放的输出电压升高，控制支路中的电流减小，最终使运放两输入节点电压相等，所以运放的增益越高，对电路的控制能力越强，越有利于改善电路的温度系数。此外，运放中将采用密勒电容进行补偿以保证整个系统的稳定性。

3 电路仿真结果

3.1 运放性能仿真

图3为运放增益和相位裕度的仿真结果，本文所设计的运放的增益达到85dB,有利于提高电源抑制比；采用密勒补偿使运放的相位裕度为67度，具有良好的稳定性。

图3 运放的增益和相位仿真结果

3.2 带隙基准源整体性能仿真

带隙基准产生电路使用SMIC公司的0.18μm工艺，利用Hspice仿真工具进行仿真。在典型工艺模型下，电路工作电压为3V，在25℃时输出基准电压为840mv。

图4为输出基准电压随温度的变化情况，当温度由-40℃到120℃变化时，输出基准变化在9mv左右，由此可算出基准电压的温度系数为67ppm/℃；图5为基准电压随电源电压变化的情况，当电源电压由2.5V上升到7V时，输出基准电压变化小于0.022%。

图4 基准电压随温度变化仿真结果

图5 基准电压随电源电压变化仿真结果

在典型工艺模型下，对电路在1-10MHz进行交流分析，测出输出电源抑制比，在250Hz内，PSRR大于87dB，之后以20dB/dec下降，显示出电路在低频时具有较高的电源抑制能力，其仿真结果如图6所示。

图6 电源抑制比随频率的变化仿真结果

4 结束语

本文设计了一款具有高电源抑制比、稳定性良好的带隙基准电压源，当温度由-40℃到120℃变化时，输出变化在9mv左右，电源由2.5V变化到7V时，基准变化小于0.022%；在低频下，该电路的电源抑制比高达87dB。仿真结果显示出电路具有良好的性能，适用于对电源抑制比和稳定性要求高的线性稳压器等电路中。

[1]Siew Kuok Hoon.Jun Chen.Franco Maloberti.AN IMPROVED BANDGAP REFERENCE WITH HIGH POWER SUPPLY REJECTION.IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON CIRCUITS AND SYSTEMS.2002(2),1698-1704.

[2]Armin Tajalli.Mojtaba Atarodi .Abbas Khodaverdi.Farzad Sahandi Esfanjani.DESIGN AND OPTIMIZATION OF A HIGH PSRR CMOS BANDGAP VOLTAGE REFERENCE.Proceedings of the 2004 International Symposium on Circuits and Systems.2004.69-74.

[3]Yue-ming Jiang.Edward K.F.Lee.Design of Low-Voltage Bandgap Reference Using Transimpedance Amplifier.IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS.JUNE 2000, 98-104.

[4]毕查德 拉扎维 .模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿， 程军 ,张瑞智, 等译.西安：西安交通大学出版社,2003:98-114.

[5]林双喜.用于LDO稳压器的CMOS基准电压源的设计[J].电子科技, 2007(7):35-39.

[6]程东方, 韩刚.一种具有高电源抑制比的带隙基准电路[J].微计算机信息, 2009,(05):45-51.

[7]幸新鹏, 李冬梅, 王志华.一个新型CMOS电流模带隙基准源[J].半导体学报, 2008,(07):79-84.

[8]李亮, 陈珍海.一种共源共栅自偏置带隙基准源设计[J].电子与封装, 2010,(01):33-37.