基准电压源的分类及比较

高伟 葛胜升 陈素芹

（芜湖职业技术学院电子信息系，安徽 芜湖 241003）

1 引言

随着科学技术的迅猛发展，集成电路越来越多地应用在方方面面，而集成电路中最重要的组成部分就是基准电压源，可以说，高性能的基准电源直接影响着整个集成电路的性能和精度，决定整个电路性能的优劣。因此，一个高性能的基准电压源对整个电路的意义十分重大，所以很多学者正在研究它。

2 基准电压源的分类

从基准电压源设计的角度来看，设计所要解决的最关键的问题是减小温度系数[1]。但是因为温度变化对硅半导体材料影响十分大，所以为了解决温度漂移上的技术问题，我们一般会想办法去寻找一种与基准电压的温度系数极性相反但绝对数值相近的电路，把二者放到一起使用，让它们彼此之间进行温度补偿，从而使整个电路的温度系数趋于零。根据这个设计思路，基准电压源主要有以下4种：隐埋齐纳二极管基准电压源、带隙基准电压源、XFET基准电压源和E/D NMOS基准电压源[2]。

2.1 隐埋齐纳二极管基准电压源

图1 齐纳二极管基准原理

为了减小温度漂移或温度系数，以前的齐纳二极管基准电压源，一般将一个正向二极管串联到一个反向齐纳二极管上，如图1所示。因为正向硅二极管具有负温度系数(约为-2mV/°C)，而齐纳二极管如果工作在在雪崩状态时，它的击穿电压通常为7V左右，并且它具有正的温度系数(约为＋2mV/°C)，这样二者的温度系数极性相反，互相抵消。但是，由于这两个温度系数数值大小并不完全相同，所以我们很难获得我们想要的零温度系数。这种温度补偿二极管和齐纳二极管的击穿主要发生在硅表层（如图2(a)所示)，我们将其称之为表层齐纳二极管。但是，因为硅芯片表层和它内部相比，有比较多的杂质和机械应力，因此长期稳定性差、噪声比较大，而且很容易被表面氧化层中的电荷及外部环境的所影响，这些都是表层齐纳二极管的致命缺点，为了解决上面提到的缺点，人们通过提高制造技术，使用隐埋齐纳二极管结构，如图2（b）所示，这样可以在表层下面发生击穿，使其在各方面的性能得到很大的改善和提高。

图2 表层和隐埋齐纳二极管结构

2.2 带隙基准电压源[3]

隐埋齐纳二极管基准电压源其工作电压必须在7V之上，而且它的工作电流比较高，这种基准电压源很明显不能使用于许多低电源电压工作的场合，而带隙基准电压源所具有的特点是：温度系数小且工作电压低。它的工作原理是利用具有负温度系数的VBE和具有正温度系数ΔVBE，我们可以将VBE与ΔVBE进行线性叠加，这样可以得到一个温度系数为零的基准电压[4]。如图3所示，V0的表达式为：

图3 带隙基准电压源

其中K为加权系数，VBE1、VBE2分别是两个模拟基射结电压的二极管端电压。

2.3 XFET基准电压源[5]

带隙基准电压源是在双极型晶体管的带隙特性的基础上进行设计操作的。在工作电流很重要的场合中，能不能在很低的电源电流的条件下提供低噪声和低温度系数的基准电路，这对带隙电压基准电路的设计来说是个比较麻烦的问题。但是现在可以顺利的解决这个问题了，我们可以利用结型场效应管的夹断电压差的特性设计出的一种新型基准电压源，而它可以完全克服这一难题。

ADI公司利用结型场效应管的夹断电压差的特性设计出一种新型的基准电压源，也就是XFET基准电压源，它的核心是利用JFET来设计的。从理论上讲，JFET的多子是沟道导电载流子，而双极晶体管的基区导电载流子却是少子，这样很明显多子碰撞晶格从而产生噪声的几率要比少子小，所以XFET电压基准源的噪声很小。又因为工作在饱和电流下，JFET正好处于夹断区，漏电流一般都比较小，只有μA量级，电压基准电路产生一个温度系数为负的电压，我们可以用一个拥有正温度系数的电压对其进行补偿，从而获得一个非常稳定的基准电压，实现温度系数为零的目标。

图4 XFET基准电压源的原理图

在图4中，基准电路的核心就是J1和J2两个场效应管，它们是靠I1和I2来驱动的，为了产生Jl和J2之间的电压差，我们在右边的J1外加了JFET。在电压与驱动电流完全相等的情况下，使得这两个管子的电压VPl和VP2数值之间产生一个差距，在这两个栅极之间出现的电压差大小如下式：

J1和J2的源极电压在闭环反馈环路作用下保持相等。将两个源极电压加到运算放大器的输入端，运算放大器的输出反馈电阻为R1、R2和R3，一旦这个环路形成，然后在Rl和R3之间就产生了一个非常稳定的输出电压ΔVp，并通过运放对该电压进行放大，这样就可以得到标准电压V0，V0的表达式如下式所示：

从式（2-2）可以看出，是由两部分组成基准电压V0的，与温度成正比的电流源IPTAT温度系数为正，而ΔVp温度系数为负，所以IPTAT和ΔVp二者之间通过相互补偿抵消，最后得到的总温度系数比较小。

2.4 E/D NMOS基准电压源[6]

利用耗尽型和增强型MOS管的开启电压之差形成温度系数较小的基准电压源，称之为E/D NMOS基准电压源。其输出电压的表达式：

这种电路输出电压的温度系数可以达到20ppm/℃以下。但是它的缺点是制作工艺比较复杂，而且VTE、VTP的值一般都难很难实现理想状态，所以不适用于大多数场合。

2.5 种基准电源的比较

根据上面的分析，上述4种基准电压源的优缺点比较如表1所示[7]：

表1 四种基准电压源优缺点比较

3 结论

通过上面的分析，我们可以看出，隐埋齐纳二极管基准电压源需要较大的工作电压，XFET基准电压源需要特殊的工艺，无法用标准的CMOS工艺来实现，E/D NMOS基准电压源制作工艺复杂，只有带隙基准电压源工作所需要的电源电压较低，并且可以用标准的CMOS工艺实现,并且最近几年来，随着CMOS工艺技术飞快的发展，带隙基准电压源的制作工艺越来越成熟，因此很多研发人员在基准电压源的设计中都采用了带隙基准电压源的结构。也正是因为COMS工艺的日渐成熟，学术界及工业界对带隙基准电压源的各项性能指标要求也越来越高，未来带隙基准电压源将朝着低工作电压、低温度系数和高电源抑制比的方向迅猛发展。

[1]马克·皮尔森，金国峰.电压基准源的合理选择[J].电测与仪表，2001，38（424）:52-53.

[2]黄晨，汪贵平.带隙型集成电压基准源的原理及应用[J].西安公路学报，1994，14（2）:148-152.

[3]李勇峰，黄娟，王丹，王龙业.一种带隙基准电压源的设计和仿真[J].电子科技.2011，（7）：3-5.

[4]毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿译.西安:西安交通大学出版社，2003：309-327.

[5]夏晓娟，张洪俞.基于LED驱动芯片的低温漂CMOS基准电压源[J].微电子学和计算机，2012，（5）:138-142.

[6]樊艳，王丽侠.一种低温漂的COMS带隙基准电压源的研究[J].电子设计工程，2011，（8）:164-166.

[7]李勇峰，黄娟，王龙业，王宏.全 CMOS 基准电压源的分析与仿真[J].电子技术，2011，（7）：30-31.