一种新型无运放的带隙基准电路

阮建新，肖培磊

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214072）

1 引言

在模拟电路中，能够提供稳定的电压或者电流的基准是必不可缺的；基准的精度、温漂、电源抑制比等指标直接影响了整个电路的特性[1]。本文首先阐述了常规的带隙基准结构，在此结构的基础上提出了一种新型的无运算放大器的基准结构。相比于常规结构，该电路结构简单，有较低的温度系数和较高的电源抑制比特性。

2 带隙基准的基本原理

由于三极管的基级和集电极的电压Vbe是一个负温度系数的参数，两个电流浓度不同的三极管的Vbe相减可以得到一个热电势VT，VT是一个正温度系数的参数，因此将Vbe和VT两个参数按照一定的比例相加，就可以得出一个和温度无关的电压VREF。具体推导公式[2]如下：

将式（1）的两边分别求导，可得：

从以上等式可以得出基准电压公式如下：

3 电路结构及其分析

3.1 常规的带隙基准结构

图1是常规的带隙基准结构[1]，M 1、M 2、M 3组成电流镜，Q1和Q2是发射级面积成比例的三极管，运放用来嵌位A、B两点电压，在R1上产生PTAT电流，镜像给R2，然后产生基准电压VREF。

图2是常规无运放的带隙基准结构[2]，M 1、M 2、M 3、M 4、M 5组成电流镜，Q1和Q2是发射级面积成比例的三极管，电流镜用来嵌位A、B两点电压，在R1上产生PTAT电流，镜像给R2，然后产生基准电压VREF。

图1中，由于运放存在失调电压，会影响基准的精度、电源抑制比等特性，虽然可以通过对运放进行重新设计得到较好的性能，但这会增加设计难度以及引入新的噪声和功耗；图2利用电流镜嵌位电压避免运放的使用，但是由于MOS管的沟道长度调制效应，也会导致基准源的精度较低。

本文在上面两种常规结构的基础上重新提出了一种新型的无运放带隙基准电路结构，如图3所示。

图1 常规带隙基准电路

图2 常规无运放带隙基准电路

图3 新型无运放带隙基准电路

3.2 基准电压产生电路

图 3 中，M 1、M 4、M 12 的宽长比为 3∶2∶1，M 5、M 6、M 7∶M 9 的宽长比相同；Q2、Q3、Q4、Q5并联的三极管数目比为 1∶m∶1∶1。电阻 R3、R4、R9的比值为 1∶1∶1，电阻R5、R7比值为 1∶1；M 2 的源端镜像输出给其他电路；M 8由外界提供合适的偏置。

Q2、Q3、R5、R7形成 PTAT 电流；Q4、Q5提供负反馈电路控制M 1栅级电平，最终控制电流I的大小；由于M 5、M 6、M 7∶M 9 的宽长比相同，所以电流 I3和 I4也相同。由于R3和R4相等，Q2和Q4也相同，所以电流I1和I2相等；可以得出PTAT电流如式（6）所示：

通过电阻R3产生的电压和Vbe2相加可以得到式（7）：

下面对电路中的负反馈进行分析。

首先Q4、Q5形成的是共射-共基的负反馈放大电路。假设节点①的电位增大ΔV1，VREF增大ΔV1，通过Q4的电流I3也会变大；节点②的电压变化见式（8）[4]：

RC为从Q5集电极看到的等效负载电阻。

从式（8）可知反馈电压ΔV2为负反馈，当把ΔV2加在NMOS管M 12上时，I4电流变小，通过镜像使得I3也变小，从而抵消了ΔV1使电流I3变大的部分，起到稳定电流I3的作用，I3和I4的稳定会使得Q4和Q5的基级电压保持稳定，进而输出基准电压VREF也保持稳定。这是第一路负反馈。

节点①的电位增大ΔV1，使得VREF也增加V1，负反馈电压ΔV2施加在NMOS管M 1，使得通过M 1的电流I变小，则最后的基准电压VREF也变小，如公式（9）[5]所示。

从式(9)可以得出，负反馈的电压改变量与-ΔV1成正比，所以这是第二路负反馈。

这两路负反馈使电路相比于普通结构具有更大的环路增益，从而提高了环路的抗干扰能力和电路的电源抑制比，减小了常规结构中沟道调制效应对基准源精度的影响。

4 仿真结果分析

基于TSMC 0.35 μm的CMOS工艺库，对电路的启动过程、温度系数和电源抑制比进行仿真。

图4 电路的启动仿真曲线

电源电压从0～5 V，启动电路从0～3.5 V，检查电路是否能够启动。如图4所示，该电路能够正常启动，启动时间约为5 μs。

图5 带隙基准输出电压V REF的温度变化曲线

如图5所示，在室温下VREF的温度系数约为0。由图5中的曲线计算可得，该电路在-40～125℃的温度范围内温度系数为4.2×10-6/℃。

图6 带隙基准的PSRR特性曲线

图6所示为电源抑制比与频率的曲线。从图6可得，在频率较低的情况下电源抑制比为79 dB，具有较高的电源抑制比。

表1 本文带隙基准源与相关文献中电路的比较

表1列出了三种电路的参数，从表1中可知本文提出的新型无运放带隙基准电路的各个参数都较好。

5 结论

本文在常规带隙基准电路的基础上提出了一种新型的无运放带隙基准电路。该电路消除了运放失调电压等参数对基准精度的影响，降低了设计难度。该电路比传统的无运放电流镜带隙基准具有更高的电压精度和电源抑制比。在5 V的电源电压下，启动时间约为5 μs，在-40～125℃的温度范围内，温度系数约为4.2×10-6/℃，电源抑制比为 79 dB。

参考文献：

[1]RAZAVIB.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿，程军，张瑞智，等译.第一版.西安：西安交通大学出版社，2005.

[2]AALEN P E.模拟CMOS集成电路设计[M].冯军，等译.第二版.北京：电子工业出版社，2005.

[3]冯树，王永禄，张跃龙.一种新型无运放CMOS带隙基准电路 [J].微电子学，2012,42（3）：336-339.

[4]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].第四版.北京：高等教育出版社，2006.

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[6]杨晓春，于奇，宋文青.一种采用斩波调制的高精度带隙基准源的设计[J].微电子学与计算机，2013(1):23.

[7]丁大胜，徐世六，王永禄.一种分段温度补偿BiCMOS带隙基准源[J].微电子学，2012，42(3):340-343.

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