输出电压可调的带隙基准源的设计

陈宇石，杨孟媛，储 琪，陈文勤，张 鹏，方玉明

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023)

输出电压可调的带隙基准源的设计

陈宇石，杨孟媛，储 琪，陈文勤，张 鹏，方玉明

(南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023)

针对传统基准电压源输出电压为1.25 V应用范围较小的问题，在传统带隙基准电压源的基础上，通过设计一种外围电路从而得到输出可调的带隙基准电压源。用Cadence软件在0.5 μmCMOS工艺下进行仿真，仿真结果该电路的输出电压达到了1.84 V，相比传统模型输出电压提高了47.2%，从而提高了电压源使用的灵活性。

带隙基准电压源；输出电压可调；CMOS；温度系数

精准的带隙基准电压源[1-3]是模拟集成电路的主要组成，在各种ADC，DAC电路中都有广泛的应用。然而目前的带隙基准电压源的输出电压大都维持在1.25 V，这就限制了同一个基准电压源在不同工艺或者不同系统中应用的灵活性。因此，本文在基本带隙电压源的基础上经过改进，增加了相应的外围电路，设计了一个输出电压可调的带隙基准电压源。

1 带隙基准电压源原理分析

带隙电压基准的基本原理是将两个拥有相反温度系数的电压以合适的权重加权，最终获得零温度系数[4]的基准电压。电压 拥有正温度系数[5-6]，电压拥有负温度系数[7-8]，存在合适的权重 和 满足

(1)

这样就得到了具有零温度系数的基准电压[9-10]。基准电压的基本表达式为

VREF=αV++βV-

(2)

双极型晶体管有两个特性分别是：(1)双极型晶体管的基极—发射极电压与绝对温度成反比；(2)在不同集电极电流下，两个双极型晶体管的基极—发射极电压的差值与绝对温度成正比。因此，双极型晶体管可构成带隙电压基准的核心。

2 带隙基准电压源模块化电路设计

本次设计采用0.5 μm工艺，通过增加一定的外围电路改变了原有的电路结构，实现了输出电压可调的目的，大幅提高了基准源使用的灵活性，图1为完整的带隙基准电压源电路。

图1 输出电压可调的带隙基准电压源电路

2.1 启动电路

带隙基准电压源电路存在两个平衡点，分别为各支路电流为零的简并偏置点和正常工作点。因此，在刚通电时电路可能因为工作在零点而不能正常工作。启动电路[11-12]的作用主要有两点：(1)使电路能脱离零电流点而稳定工作；(2)在系统正常工作后启动电路会断开从而降低功耗。

这次设计启动电路由N1，N2和P2管组成。若电路工作在零电流点，则通过N1的导通为镜像电流源提供初始偏置电压。当电路正常工作后又通过P2和N2组成的反相器使N1截止，这时启动电路中无电流，电路稳定工作且没有额外的功耗。

2.2 运算放大器电路模块设计

运算放大器电路[13-14]主要由一个差分放大器和一个共源放大器组成的一个两级放大电路,如图2所示。在第一级放大器中NA1和NA2是放大管，PA1和PA2是NA1和NA2的有源负载，NA4为恒流源偏置。此一级放大器的作用是将双端输入转化为单端输出。第二级放大器是由PA3和NA5组成的共源放大器。电容C为补偿电容，作用是调整相位。运放在小信号下的总增益为两级增益之积。

图2 运算放大器模块

2.3 带隙基准核心电路

(3)

得到的基准电压被送往输出电压调节模块要根据实际需要对其进行调节。输出电压调节模块[15-16]主要由运算放大器、NMOS管和相应电阻组成。该模块的主要作用是将前一级得到的带隙电压转换成电流在此基础上再转为电压，这样便可根据需要任意调节输出的带隙电压。该输出电压主要由P7管和P8管的宽长比之比和电阻R3和R4的阻值之比调节。具体输出电压与输入电压的关系为

(4)

其中，M为P7管和P8管宽长比的比值。因此只要通过调节P7管和P8管宽长比的比值或者是电阻R3和R4的阻值便可得到想要的输出电压。

3 实验仿真结果分析

本次实验基于0.5 μm标准CMOS工艺模型，运用Cadence软件对所设计的带隙基准源进行仿真。

首先在频率为1～106Hz的范围内对该运放进行仿真，对设计的运放进行仿真仿真结果，如图3所示。该运放的放大倍数约为104倍，3 dB带宽为1.17 kHz。

图3 运放仿真结果图

在3.3 V电源电压条件下，首先在-50～100 ℃的范围内对于未加外围电路的带隙基准电压源电路进行温度扫描。本次仿真对5种工艺角都进行了仿真，该带隙输出电压约为1.25 V，输出电压随温度的变化量为0.007 V，仿真波形如图4所示。

图4 基准电压的温度特性曲线

图5 输出电压可调的基准电压的温度特性曲线

通过将图4和图5进行比较说明电压调节模块工作正常。因此只要根据需要调节外围电路电阻阻值的关系或者调节两个PMOS管的宽长比，代入式(4)进行计算便可得到需要的电压，或反向由电压对外围电路具体参数进行设计。实验结果说明，设计的外围电路确实起到了调节输出电压的目的，提高了带隙基准电压源应用的灵活性。

4 结束语

本文在传统带隙基准电压源的基础上，考虑到带隙基准电压源的输出电压大都维持在1.25 V，限制了基准电压源在不同工艺或不同系统中应用的灵活性。因此，本文在原电路的基础上设计了电压可调电路，使得输出电压达到了1.84 V。经过实验发现此设计可大幅提高带隙基准电压源应用的灵活性。

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Design of a Reference with Adjustable Output Voltage

CHEN Yushi，YANG Mengyuan，CHU Qi，CHEN Wenqin，ZHANG Peng，FANG Yuming

(School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

The paper is based on the problem that the output voltage of traditional reference voltage source is 1.25 V which limits application scope. The design of a peripheral circuit which is based on traditional structure can get an adjustable output. The circuit is simulated with Cadence tool and 0.5 μm CMOS model. The simulation results of the circuit output voltage is 1.84 V, which is increased by 47.2% compared with the traditional model, so as to improve the flexibility of the voltage source.

bandgap voltage reference; adjustable output; CMOS; drift coefficient

2016- 05- 03

江苏省自然科学基金资助项目(BK20131380)；南京邮电大学大学生创新训练计划基金资助项目(XZD2015025,XYB2015519)

陈宇石(1993-)，男，本科。研究方向：微电子学。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.045

TN432

A

1007-7820(2017)03-164-03