一种用于D/A转换电路的带隙基准电压源的设计

摘要：本文介绍了带隙基准电压源的原理，实现了一个高精度的带隙基准电压源电路。此电路在-20℃~100℃的温度范围内，有效温度系数为6.1ppm/℃；电源电压在1.6V~2.0V 变化时，其电源抑制比为103.7dB。

    基准电压源在DAC电路中占有举足轻重的地位，其设计的好坏直接影响着DAC输出的精度和稳定性。而温度的变化、电源电压的波动和制造工艺的偏差都会影响基准电压的特性。本文针对如何设计一个低温度系数和高电源电压抑制比的基准电压源作了详细分析。

    从DAC电路的实际工作环境考虑，电源电压的变化范围是1.6V~2.0V ，温度变化范围是-20℃~100℃。本带隙基准电压源的设计指标为：1. 输出的基准电压在1.22V左右；2. 电源抑制比为100dB；3. 基准电压的温度系数小于10ppm/℃。
　　
带隙基准电压源的原理

    带隙基准电压源的基本原理是：利用双极性晶体管的基极-发射极电压VBE(具有负温度系数)与它们的差值VBE(具有正温度系数)进行相互补偿，从而达到电路的温度系数为零的目的。

                                     
        图1 带隙基准电压产生原理图                 图2  基准电压源电路

    如图1所示，其运算放大器的作用是当电路处于深度负反馈的情况下，使X、Y 两点的电压相等。此时若R1=R2，则I1=I2，并满足：
VBE1=VBE2+I2R3                      (1)                   
I1=I2=(1/R3)(VBE1-VBE2)=(1/R3)VTlnn  (2)
VOUT=VBE1+I1R1=VBE1+(R1/R3)VTlnn     (3)

    VOUT即可作为基准电压。从(3)式可知，基准电压只与PN结的正向压降、电阻的比值以及Q1和Q2的发射区面积比有关，而与输入电压无关，所以，在实际的工艺制作中将会有很高的精度。第一项VBE1具有负的温度系数，在室温时大约为-2mV/℃；第二项VT具有正的温度系数，在室温时大约为+0.085mV/℃，通过设定合适的工作点，可以使两项之和在某一温度下达到零温度系数，从而得到具有较好温度特性的基准电压。适当选取R1、R3和n的值，即可得到具有零温度系数的输出电压VOUT。
　　
电路设计

    以图1所示的电路原理为基础，设计出基准电压源电路，如图2所示。电路主要由三部分组成：使能信号驱动电路、偏置电路、带隙基准电压VREF产生电路。通过对每一部分结构、工作原理的介绍，可知图2所示电路既能解决驱动不够的问题，又能灵活调节它的温度系数，可达到高电源抑制比和低温度系数的性能。

使能信号驱动电路

    此电路由图2所示的三级反向器构成。PD为电路的使能信号，输出A10、A9用来做BIAS和VREF的使能控制。

    使能信号的加入，可以降低功耗。当外部的数字信号还没有送入转换电路时，PD使能信号使基准电压电路处于待机状态，从而降低了功耗：当外部的数字信号送入转换电路时，PD使能信号使基准电压电路工作。

    为了达到较大的驱动能力，可以使PD信号通过由Mk1,MK2,MK3,Mh1,Mh2,Mh3组成的反向器，如图2所示，反向器的管子宽长比逐级增大，驱动能力逐级提高，输出A10、A9可以有效地驱动BIAS和VREF的使能管，解决了因版图中走线过长或后端电路管子存在寄生电容而导致的驱动不够的问题。

偏置电路

    偏置电路用来给基准电压电路的运放提供偏置，如图3所示。

         
                     图3 偏置电路                  图4 基准电压产生电路

    在图3电路中，MK、MH、MF、M4、M5、M7为开关管，M3、M