低成本多路输出CMOS带隙基准电压源设计

本文所设计的启动电路如图3虚线左侧所示，在电路启动时，N3变为高电位使M21导通，则N1变为低电位使M15导通，并且带隙主电路开始工作，启动完成。由于M16为二极管接法，所以M16支路导通，并且M22与其所在支路也导通了，此时M22的导通将N3拉到较低电位，使M21截止，并且由于M22所在支路的导通，会使M21一直保持截止状态，启动电路停止工作，降低了功耗。
2．3 多路基准电压输出的设计
多路输出电路如图4所示，整个电路相当于一个带负反馈的多输出放大器，可以得到稳定的3 V，2 V，1 V和0．15 V基准电压。由于Vref为1．14 V，利用运放的“虚短”可得到Vref1，Vref2，Vref3和Vref4的值，其中Vref2计算式为：

多输出运放的第一级采用折叠共源共栅放大器，如图5所示。

该折叠共源共栅放大器具有宽的共模输入范围和大的输出电压摆幅。同时为了减小共源极失调电压对后级共栅电路的影响，本文在设计过程中使M36和M37支路的电流为M23支路电流的3倍。
在图4中，多输出运放的第二级采用由M41和电阻串组成的共源极电路，提高了增益。C4和R2分别是补偿电容和调零电阻，对整个运放进行频率补偿，增强电路的稳定性。M40的特殊接法是为了降低该管上的压降，从而得到所需的3 V(Vref1)电压。
该多输出运放可以通过选择合适的电阻值，非常方便地得到从0到接近VDD的任意电压值，且这些电压值与电阻的绝对值无关，只与选取电阻的比例有关，因此适用于各种工艺。

3 仿真结果与分析
整体电路采用华虹1μm的CMOS工艺设计，利用Cadence仿真软件进行仿真，并对仿真结果进行了分析。
3．1 带隙基准源仿真结果
带隙基准电压源核心电路的温度特性曲线如图6所示，温漂TCF的计算由下式给出：

由图6可知，在-40～140℃的温度范围内，根据式(11)可得温漂为23．6×10-6℃-1，实现了宽温度范围内低温漂的设计目标；带隙主电路的PSRR为67 dB；静态电流低至24μA，大大降低了芯片的功耗，可以满足开关电源芯片的设计需求。
对启动电路进行瞬态仿真，可以得到启动电路的启动时间为0．114μs，启动速度快，满足设计要求。
3．2 多路输出基准电压仿真结果
分压电路采用带负反馈的两级运放，跟踪性能好。以Vref2为输出端的仿真结果如图7～图9所示。

对运放的交流小信号增益与相位进行仿真，得到如图7所示曲线。从图中可以看到，运放增益为80 dB，相位裕度为85°，单位增益带宽为7．15 MHz。
对运放进行瞬态仿真，得到图8所示曲线。从图中可以看到，曲线并没有振铃出现，说明运放比较稳定。
根据图8可计算出运放的转换速率为4 V／μs，建立时间为0．58μs。
对运放的CMRR(共模抑制比)进行仿真，得到如图9所示曲线。从图中可以看出，CMRR为88 dB，说明运放具有较好的共模抑制特性。

4 结语
结合开关电源管理芯片项目的设计需求，设计了一款多输出、低成本、高性能的CMOS带隙基准电压源。设计中采用了一种结构简单的Brokaw带隙基准核心电路和带负反馈的折叠共源共栅运放，实现了低成本和多输出的设计要求。通过Cadence的仿真结果可以看到，该带隙基准源性能良好，能够提供比较精确稳定的基准电压。