一种低温漂输出可调带隙基准电压源的设计

在A／D和D／A转换器、数据采集系统以及各种测量设备中，都需要高精度、高稳定性的基准电压源，并且基准电压源的精度和稳定性决定了整个系统的工作性能。电压基准源主要有基于正向VBE的电压基准、基于齐纳二极管反向击穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种实现方式，其中带隙基准电压源具有低温度系数、高电源抑制比、低基准电压等优点，因而得到了广泛的应用。

本文在基于传统带隙电压基准源原理的基础上，采用电流反馈、一级温度补偿等技术，同时在电路中加入启动电路，设计了一个高精度、输出可调的带隙基准电压源，并在SMIC 0.25μm CMOS工艺条件下对电路进行了模拟和仿真。  

1 带隙基准电压源工作原理与传统结构  

带隙基准电压源的原理就是利用PN结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN结电压差的正温度系数电压VT相互补偿，使输出电压达到很低的温度漂移。  

1.1 带隙基准电压源工作原理  

图1为温度对二极管伏安特性的影响。  

可以看出，温度升高，保持二极管正向电流不变时所需正向偏压减小，温度系数为：-1.9 mV／℃～2.5 mV／℃。  
PN结电流与外加电压的关系为：


图2(a)为带隙电压基准源的原理示意图。



结压降VBE在室温下温度系数约-2.0 mV／K，而热电压VT(VT=k0T／q)，在室温下的温度系数为0.085 mV／K，将VT乘以常数k并与KBE相加，可得到输出电压Vref为：



将式(1)对温度T进行一次微分，并在室温下等于0(输出电压在室温下的理论温度系数等于0)，解得常数k，即



1.2 传统带隙基准电压源结构  

图2(b)是传统的CMOS带隙电压基准源电路，图中运算放大器的作用是使电路处于深度负反馈状态，从而让运算放大器两输入端电压相等。  
在电路稳定输出时：
  


由式(3)、式(4)得：



式中：k为常数，  


  
由于实际的运算放大器存在一定的失调电压VOS，所以实际输出电压为：


   
由式(7)可得，运算放大器的失调电压会导致比较大的基准输出电压误差。运算放大器的失调电压VOS包括自身的失调、电源电压变化引起的失调、工艺不匹配引起的失调及温度引起的失调，其中自身的失调占主要作用，所以在大多数带隙基准源电路中，一般采用两级高增益运算放大器作为反馈运放，以降低失调电压。传统带隙基准电压源结构虽然能输出比较精确的电压，但是所得到的精度有限，而且其基准电压范围有限(1.25 V左右)，要想克服上述问题和限制，必须对传统基准源的结构有所改进。  

2 CMOS带隙基准电压源电路结构  

本设计是在SMIC 0.25μm CMOS工艺基础上完成的，设计中采用了一级温度补偿、电流反馈等技术。其电路结构如图3所示(不考虑虚线框R5部分)。  

BGR核心电路中，晶体管Q1、Q2为使用标准CMOS工艺制造的二极管连接形式的PNP纵向三极管(BJT)。Q2和Q1的发射极面积的比为N，流过Q1和Q2的电流相等，这样△VBE就等于VTln(N)。流过电阻R1的电流I4是与热力学温度成正比的。流过M2、M3、M4的电流相等(I1=I2=I3)，所以
  


参考电压Vref为：



通过调节R3与R1的比值和Q2与Q1发射极面积的比值，可以使输出电压参考在室温下的温度系数为0。



本设计还具有输出可调的特点，设计中采用文献[2]提到的在运算放大器两输入端与地之间加电阻的方法。由式(9)可看出，在调节了k值

后，可以方便地调节R4的值来调节参考电压的输出大小，正是由于运算放大器两输入端的接地电阻R2、R3的增加，使得总的镜像电流通过电阻R4后可以方便地改变输出大小，相比文献[3]中的二次分压结构更简单，更节省面积。  

该带隙基准源的电流源不仅用于提供基准输出所需的电流，也用于产生差分放大器所需的电流源偏置电压，大大简化了电路的版图。设计中采用了高增益NMOS差分对运算放大器，根据文献[4]，实验仿真结果显示，对于电源电压的直流变化，低电源抑制比的运算放大器也能实现电压跟随，Vref输出稳定。而在电源电压有交流干扰、特别是信号频率较高(>30 MHz)时，Vref输出端也有同频的交流信号，幅度近似于电源干扰信号的幅度，这时Vref已不能认为是恒定的输出。原因是运算放大器输出信号与电源信号之间存在明显的相位差。解决的方法有两种：第1种是提高运算放大器的单位增益带宽；第2种是降低运算放大器本身的PSRR(电源抑制比)。第1种方法会增大电路消耗的功率，对于第2种方法，我们采用低PSRR(电源抑制比)的运算放大器就可以实现，相比于文献[5]中使用的PMOS差分对运算放大器，我们采用相对较低PSRR的NMOS差分对运算放大器。  

本设计中还增加了带隙基准源的启动电路，因为带隙基准源存在两个电路平衡点，即零点和正常工作点，当电路处在零点时，整个电路中没有电流流过，电路不能正常工作。启动电路应满足两个方面的要求：一是确保总有电流流过参考源中的晶体管，使得零状态处的环路增益大于1，避免陷入零状态；二是参考源启动后，启动电路不应干扰参考源的正常工作。当基准源工作在零点时，节点N1、N2的电压等于0，基准源没有电流产生。启动电路的目的就是为了避免基准源工作在不必要的零点上。本文设计了图3中所示的启动电路，电路由M11、M12和M13构成。当电路工作在零点时，N2点电压为0，M13管导通，迅速提高节点N1、N2的电压，产生基准电流；这时节点N1的电压通过M11和M12组成的反相器，使M13管完全截止，节点N1、N2的电压回落在稳定的工作点上，基准源开始正常工作而启动电路中没有电流流过。