高性能带隙基准电压源的设计

姜生瑞，郭利芳， 张颖斐

（兰州交通大学电子与信息工程学院， 甘肃兰州 730070）

0 引言

基准电压是集成电路设计中的一个重要部分，特别是在高精度电压比较器、数据采集系统，以及A/D和 D/A转换器等中，基准电压随温度和电源电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能。因此，在高精度的应用场合，拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提。

传统带隙基准由于仅对晶体管基—射极电压进行一阶的温度补偿，忽略了曲率系数的影响，产生的基准电压和温度仍然有较大的相干性，所以输出电压温度特性一般在20 ppm/℃以上，无法满足高精度的需要。本文基于带隙基准的原理,提出一种结构较简单、温度系数较低的bipolar工艺的带隙基准电压源电路。

1 带隙基准电压源的基本理论

1.1 带隙基准电压源的原理

带隙电压基准的基本原理是：利用具有负温度系的VBE和具有正温度此系数的不同发射结电流密度下的两个基射结电压之差△VBE。将两者线性叠加，在理论上可以在某个温度点得到零温度系数的基准电压。

例如，电压V+拥有正温度系数，电压V-拥有负温度系数，存在合适的权重α和β满足：

这样就得到具有零温度系数的基准电压，其原理图如图1所示。

基准电压的基本表达式为[4]：

图1 带隙基准电源的基本原理

1.2 性能参数

①功耗

功耗它是衡量电路在正常工作下消耗电流多少的一个参数。为了获得更小的噪声以及更快的响应速度，都需要增加功耗。然而芯片由于应用的要求，以及散热条件的限制，其功耗也是受到限制的。因此每个单元电路都会有相应的功耗要求[1]。

②温漂系数是用来衡量基准电压的输出电压随温度变化的一个性能参数，单位为ppm/℃(1ppm=10-6)，表示当温度变化1℃时，输出电压变化的百分比。表达式可以表示为[1]：

其中，Vmax、Vmin分别为基准电压的最大值和最小值；Vmean为基准电压的平均值；Tmax和Tmin分别为温度的最大值和最小值。

③电源抑制比PSRR(Power Supply Rejection Ratio)

电源抑制比是反映因电源电压的变化而引起的输出电压的变化，一般用分贝(dB)来表征。电源抑制比的定义是电源电压变化率与输出电压变化率的比值，如式(4)所示[3]。

2 带隙基准电压源的设计

2.1 利用PTAT电流产生基准电压源

如果两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极—发射极电压的差值就与绝对温度成正比。那么将该电压差值作用在一个电阻上，并利用电流镜拷贝流过该电阻的电流，就可以获得PTAT电流。图2给出的是一个常用的产生PTAT电流的电路拓扑结构。

图2 PTAT电流生成电路

在图2所示的拓扑结构中，M1、M2和M3构成电流镜，并且有

将图2中电路结构改为图3所示。

图3 带隙电压基准电路

将PTAT电流I3流过电阻R2，从而产生PTAT电压I3·R2，再将这个电压加到双极型晶体管Q3的基极-发射极电压上，从而获得输出基准电压：

当R1，R2，M和n满足关系时，带隙电压基准源可以在T=300K时获得零温度系数。

计算基准源的输出噪声是一个非常必要的过程，下面将对图3带隙电压基准电路的输出噪声的计算进行介绍。

如图4是图3中带隙电压基准的原理框图。

图4 带隙基准电压源的原理框图

A1是误差放大器，增益为AV1；B1是M5作为PMOS输入管、R1和Q1作为负载的共源极放大器，增益为β1；B2是M6作为输入管、Q2作为负载的共源极放大器，增益为β2；A2是M8作为输入管，R2和Q3作为负载的的共源极放大器，增益为AV2。由图4得反馈环路的传递函数为：

由此，当误差放大器的增益足够大时，从式（9）式可以得出由A1，B1和B2构成的反馈环路的闭环增益为：

其中，RQi表示双极型晶体管Qi发射极对地的等效电阻：

此外，供图3中可得基准电压表达式为：

为了使得到的基准电压源拥有零温度系数，还需要满足：

得到从误差放大器输入端到基准电压输出端的总增益为:

综合考虑MOS管的热噪声和闪烁噪声。MOS管沟道中噪声电流的谱密度为：

利用PATA电流产生基准电压源电路不能直接为负载提供电流，需要在带隙电压基准源和负载间加入缓冲级（buffer），通过缓冲级为负载提供电流。因为负载如果直接从该带隙基准电压源的输出端获得电流，则该电流是PATA电流I3中的一部分，由于负载对供电电流的需求不一定和绝对温度成正比，因此无法保证流过电阻R2的电流和绝对温度成正比，这就破坏了产生和温度无关电压基准源的基础，使带隙电压基准源失去原有的作用。而且负载对供电电流需求的改变会直接影响带隙电压基准的输出电压，因此若使用该种带隙电压基准结构，必须同时使用缓冲器将带隙电压基准源与其负载隔离[1]。

2.2 整体电路的实现

采用无锡华润上华公司（CSMC）的0．5umCMOS混合信号工艺库，设计了一个带隙电压基准，并对带隙电压基准的电阻、温度和噪声特性进行优化得到带隙电压基准的整体电路结构如图4所示。

图5 带隙电压基准具体电路

其中M0～M4管构成误差放大器，用来使节点X和Y拥有相同的电位。M7和M9管为误差放大器提供偏置电压。表1列出了MOS管、电阻和双极型晶体管的初始参数。

表1 带隙电压基准MOS管参数

因为M5、M6和M8拥有相同的宽长比，式（8）中M=1。为了获得零温度系数的带隙电压基准，电阻R1和R2需满足下面的关系：

以此关系，令R1=26 kΩ，则R1=230 kΩ。

3 仿真结果分析

衡量一个带隙基准源性能优劣的指标主要有温漂系数、输出噪声、电源抑制比和瞬态响应。利用Candance仿真器，基于CSMC的0．5umCMOS混合信号工艺，主要对基准源的温度特性进行仿真与分析。

图6 输出电压温度特性

图7 R2值优化结果

图6 所示为-40℃～85℃时基准源的输出电压温度特性。可以看出带隙基准电压随温度的升高而下降，这表明基准电压中的正温度系数过小，

从图7可以判断出，当R2电阻值为288 kΩ时，基准电压随温度的升高而降低；但是当R2的电阻值为345 kΩ时，基准电压随温度的升高而升高。因此R2合适的阻值在288～345 kΩ的范围内。再次对参数进行优化得到，当R2=316 kΩ时，基准电压有最好的温度特性。

为了能够更好地了解该带隙基准电压源的温度特性，这里利用Cadence软件中的“Calculator”工具计算出了带隙电压基准源在不同R2值下，不同的温漂系数。如图8所示

图8 温漂系数

从图8可以看出，当R2电阻的阻值为316．5 kΩ时，带隙电压基准源有最小的温漂系数，即 13．749 8 ppm/℃[6-7]。

4 结论

本文通过对带隙基准源的工作原理与参数性能影响因素的分析，实现了一种利用PATA电流产生基准电压的基准源。利用Cadence软件对各参数进行仿真分析，并通过优化得到，当R2=316 kΩ时，基准电压有最好的温度特性；在该温度时，带隙基准电压源有最小的温漂系数。

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