高性能带隙基准源设计

李正大，解 琳，佘彦武

（1. 长沙学院 电子与通信工程系，长沙 410003；2. 长沙市南雅中学，长沙 410129）

1 带隙基准源的研究现状

基准源是模拟集成电路中最重要的模块，在较高精度的电路中常用于其精度的参考电位的设计中运用，例如：在LM393、A/D、D/A、RAM、FLASH等。这样设计的结构因有相对而言简单的电路原理和清晰的结构和相当稳定的温度特性，因此，受到很多设计者的青睐。通常，一种基准源性能评价指标很多，一个优异的设计应该包含：1）电压抑制比（PSRR）；2）环境温度容忍度；3）可靠性；4）工艺精度；5）功率；6）噪音比；7）能耗；8）成本等等。

针对pn结电压具有负温度系数的特点，上世纪有人提出了用线性补偿的方法获得电压的基准电压，这种电压恰好是硅的带隙电压，所以人们统称带隙基准源。现在， CMOS工艺成为最主要的研究方向，在当时技术落后，双极型的工艺较容易实现，所以刚开始是双极性的。在研究CMOS工艺时，由于工艺不成熟存在很多问题如：工艺误差和电压失调，性能不稳定，随着科技的发展，传统的BiCMOS工艺得到很大的改进而提升，从而使带隙基准源的各项性能指标获得稳定快速的提高。

科技的发展，工艺水平的提高。集成块在变小，能耗在降低，质量在变轻，电压在降低，0.18μmCMOS工艺技术已经成为主流技术。这为设计带来了新的要求。

2 高精度带隙基准源设计

传统带隙基准源环境温度系数较差，难以提供稳定性能来实现对现代高精度要求的的需求，此外，在电路设计上和指标上,对PSRR也是传统的设计中很难被重视一个重要因素。因此，要构件一种拥有高电源电压抑制比PSRR（81dB以上）和低温度系数（10ppm/oC以下）的带隙基准源。各种温度段的高阶补偿完全采用巧妙的NMOS管遗失电流量的方式来完成，该篇文章探究的带隙基准源可以将温度系数稳定到8.0-8.2ppm/℃。不仅如此，为了提高带隙基准源的PSRR，我们通常是在运算放大器和工作电源之间直接导入负反馈的方式实现的，获得了80dB以上的低频电源电压抑制比（PSRR），这个结果是比较理想的。

2.1 设计电路

在低温阶段出现负温度系数占主导时，可以损失一部分Q4（晶体管）上的电流量，就等于间接阻止了负温度系数，原因就是Q4上的压降在减小；当进入高温段时，正温度系数同样占主导，也可以遗漏电阻R4上的一些电流量，那么电阻R4上的压降势一定趋于平缓，就等于非直接降低了现在的正温度系数。经过这种方式，那我们就完成抑制了这种非线性偏差，基于这种思想，设计了一种改进的带隙基准源如图1所示。

2.2 温度特性的改善

PTAT引脚引入正温度系数的电流量，对稳定在较低温区时温度特性是PTAT引脚引入正温度系数的电流量来抑制的。NM5管减小晶体管Q4上的电流，从而使其在低温时段更具平稳；到达较高温度段以后，进入高温段后，必须减少R4上的压降量，所以NM4管必须漏掉大部分电流量才能实现，也就是G_ref引脚引入正温度系数的电流，这样一来高温段的曲线更加平稳，不会出现大的波动。

图1 改进的带隙基准源电路结构

为了在高温段不使NM4漏掉的电流变化无常，尤其是不能让其随意增加，不是直接去用Vref去稳定NM4的栅极，而是引入G_ref来稳住它，目的是防止NM4失去的电流量很大时，会使基准源出现负的温度系数这一反常的的特性，因为在高温段一般都是正的温度系数。为了防止这一情况，必须对G_ref上的电压做出要求：1) 低温段，基准源不能出现负的温度系数，工作电压G_ref上的一定要是充足的；2)当基准源步入正温度系数占主导地位的高温度段时，必须确保在此段状态下可以漏掉相当多的电流量来减持R4上的电压量，工作电压G_ref同时要求必须是稳定的和充足的。

因此，有必要设计一路和带隙基准源非常相同的支路来稳定G_ref电压值，要求其中电路中R3的电阻值大于电路中R4以保证满足第一个条件a，并且在高温段损失大量的电流量来满足G_ref呈现负的温度系数这一特性，要求NM2管有足够的长宽比，来满足第二个条件b。

图2 为G-ref的特性曲线（温度）

2.3 电源电压抑制比（PSRR）的改善

带隙基准源如果带运放结构，其PSRR特性在很大程度上受到所用运放的。通常情况下，让带隙基准源在设计具有开环电压高增益与电源电压高抑制比是前提。受控于运算放大的电路的电源电压抑制特性（PSRR）是传统隙基准源的特点并且其影响相当顽固，如果不改变电路设计结构的前提下是不能完成自动调节。

如图3所示，本文设计的带隙基准源通过PM1和NM1结构（有源负载反相器）将工作电源的噪声引入有源负载反相器的负反馈，而且加入特定的电阻R2，这一点非常重要，电阻R2的加入使电源电压抑制比（PSRR）可以任意调节变为可能。不管电源电压怎样波动，即其增大或变小，控制支路的电流也紧跟着变大或变小，因为有电阻R1上的的损耗，A点的电位变化量会明显高于B点电位量，所以运算放大器输出端的电位会被迫下降，通过M0和M1组成的反相器使PM1、PM2与PM3管的栅极电压跟着上扬，分支路电流量开始变弱，这样就完成了负反馈。在A点电位上设计加入一个电阻R2，这样一来A点电位比起电源电压的变化量来说变得灵活多了，为带隙基准源的PSRR提供了有力的保证。

图3 为改善电源电压抑制比性能的主要电路结构

3 在Cadence Spectre仿真结果及解释

在参照CSMC 0. 5μm标准下以及稳定的CMOS工艺是本设计的特点，在Cadence Spectre软件下仿真，获得的性能参数较为理想，结果如下：

1) 在3.0V的电压供电下，在-38-118oC的温度之间进行有效扫描，获得如图4所示的温度曲线。图中明显的看出有多段温度补偿的印记，结果显示具有8.1ppm/oC的温度系数。

图4 温度特性

2) 如图5显示了本文设计的带隙基准源对电源电压的抑制效果。结果显示在低频时电源电压抑制比（PSRR）为82dB，当频率到达1kHz时，电源电压抑制比仍有72dB以上。

图5 电源电压抑制比特性曲线

3) 如图6所示，只要高于2.50V电源电压时，设计电路就可输出平稳的电压。即便电源电压在2.5-5.0V间波动时，该设计电压调整率为1.04mV/V。

图6 基准源输出的电源电压调整率特性曲线

4 结束语

通过NMOS管分流方式完成多段式的电压补偿，是本文的特点和重点，这种全新的分段多次补偿式带隙基准源电路在设计上有很多优点：一是电路简单明了，而且性能卓越，二是效果明显。带隙基准源在温度上通过全新的分段补偿式即NMOS管掉电流的方式完成了高阶补偿，这是基于设计其最低工作电压在2.50V，得到比较理想的温度系数为8.1ppm/oC，而且还详细说明这种功能实现的工作原理和特性要求。除此之外，在提高工作电源电压的PSRR即抑制比，我们是在运放与工作电压之间导入负反馈的方式来实现的，获得在低频下的PSRR为82.0dB，同时还解析了这是工作方式的的原理和过程。并提出了一条崭新的温度补偿思路，有一定的参考价值。

[1] 吴雯雯.高电源抑制带隙基准源的研究与设计[D].南京:东南大学,2009.

[2] Jieh-Tsomg W.Voltage and Current References.http:/www.ics.ee.nct.ed.tw/-jtw/cnote /aic01/grLpat.2001-01-29.

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[5] 胡萍,陈路.0.18μm上升为主流IC设计技术,缩短设计周期成为最大挑战.http：//www.Eetchinacom/ART_8800365921 480101.HTM2005-05-08.

[6] 田涛高精度基准源的研究与设计[D].湖南大学,2006.