【正文】 括 BEV 環(huán)路 曲率補償 法 ， β 非線性曲率補償 法 ， 基于電阻比值的溫度系數(shù)的曲線補償方法等。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 3)高電源抑制比的基準電壓源 在數(shù)?；旌霞呻娐分?，電路中可能存在 高頻噪聲和數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲對模 擬電路產(chǎn)生信號干擾 的現(xiàn)象 。在混合電 路中，電壓基準源應(yīng)該在較寬的 范圍內(nèi)具有良好的電源抑制比性能， 有些設(shè)計中 使用運放結(jié)構(gòu)的帶隙基準 技術(shù) ，在直流頻率時的 PSRR(Power Supply Rejection Ratio，電源抑制比 )可達 110dB，在 1MHz 的 PSRR 達 70dB。而使用無運放負反饋結(jié)構(gòu)的帶隙 基準，在 1KHz 的 PSRR 為 95dB，在 1MHz 的 PSRR 為 40dB。 4)低功耗的基準電壓源 低功耗設(shè)計對于 依靠電池工作的便攜設(shè)備具 有非常重要的意義， 低功耗電路可以延長電池的使用壽命。有些設(shè)計 中的 電路 功耗可達 220uW。 課題研究的 目的 意義 傳統(tǒng)的基準源是基于穩(wěn)壓二極管的原理制成，但由于它的擊穿電壓一般都大于現(xiàn)在電路中所用的電源，已經(jīng)不再常用。 20 世紀 70 年代初， Widlar 首先提出帶隙基準電壓源的概念和基本設(shè)計思想，由于其在電源電壓、功耗、穩(wěn)定性等方面的優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在擁有帶隙 基準源的集成電路已廣泛應(yīng)用于軍事裝備、通訊設(shè)備、汽車電子、工業(yè)自動化控制及消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 現(xiàn)階段 常用 集成電路的制作工藝主要有兩種 : 雙極工藝 和 CMOS 工藝 。 雙極性工藝是集成電路中最早成熟的工藝，其 集成電路具有較快的器件速度，適合高速電路設(shè)計，但相對來說，器件功耗較大 ； CMOS 工藝技術(shù)是在 PMOS與 NMOS 工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 ， 由于 CMOS 電 路具有功耗低、器件面積小、集成密度大等 優(yōu)點， 已經(jīng)逐漸發(fā)展成為當代 VLSI(超大規(guī)模集成電路 )工藝的主流工藝技術(shù) ，因此，在 本文在 設(shè)計 高精度 的 帶隙 基準 電壓 源 時，就 采用了 CMOS 工藝技術(shù)。 本文的主要內(nèi)容 為了設(shè)計一種 高精度 CMOS 帶隙基準源 ，本文將首先著手于研究 帶隙基準源 的原理 和提高 帶隙基準源性能的方法，再對高精度 的 CMOS 帶隙基準源 進行完整設(shè)計 分 析，然后借助 HSPICE 對電路進行模擬仿真，包括帶隙基準源的 核心電路 、電源抑制比 電路 、快速啟動電路 等。本文的主要內(nèi)容如下： 1）介紹 CMOS 帶隙基準源的 現(xiàn)狀 、 發(fā)展趨勢以及本課題 研究目的 意義 ； 2）介紹基準源的 分類，詳細分析帶隙基準源的基本原理和幾種基本框架，并分析其優(yōu) 缺 點 ； 3）分析 影響帶 隙基準電壓源溫度性能的原因并總結(jié)目前的改進方法 ； 4）對高精度 的 CMOS 帶隙基準源進行設(shè)計分析 和模擬仿真 ； 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 2. 基準 電壓 源的原理與電路 基準源主要分為基準電壓源和基準電流源，而基準 電壓 源的 性能 參數(shù)主要有溫度系數(shù)、 電源抑制比 和功耗 等 。 基準 電壓 源的結(jié)構(gòu) 直接采用電阻和管分壓的基準電壓源 如圖 所示的基準電壓源可以說是最簡單的基準源。 R20VREFR1VDD VDDM10M2VREF (a)采用電阻分壓的基準電壓源 (b)采用管分壓的基準電壓源 圖 采用電阻和管分壓的基準電壓源 對圖 (a)，有 212REF DDRVVRR? ? () 1REFDDV R E F R E F R E F D DVD D D D D D R E FV V V VS V V V V??? ? ? () 其中， REFDDVVS表示電源電壓幅度敏感系數(shù)。 對圖 （ b） ，有 ( ) ( )1 ( )T N P N D D T PREF PNV V VV ?? ????? ? () 其中，P P OX PWC L?? ??? ????，N N OX NWC L?? ??? ????，PWL??????代表 PMOS 管的寬長比，NWL??????代表 NMOS 管的寬長比。若有 NP??? ， TN TPVV? ， 1REFDDVVS ?，則 它的 輸出基準電壓對電源電壓非常敏感，而且對溫度也非常敏感，所以它的應(yīng)用受到很大的限制。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 VREFIbiasVDDV10 圖 電源電壓敏感系數(shù)小于 1 的簡單電壓源 若要得到電源電壓敏感系數(shù)小于 1 的電路結(jié)構(gòu)，就要像圖 那樣設(shè)計電路，在電路中提供相對穩(wěn)定的電流，才能減小基準電壓對電源電壓的依賴。 有源器件與電阻串聯(lián)組成的基準電壓源 通過以上的分析，為了能設(shè)計出簡單的基準電壓源，人們設(shè)計出了有源器件與電阻串聯(lián)組成的基準電壓源，如圖 和圖 所示。 VREFVDDR10M1 圖 電阻與 MOS 管串聯(lián)的基準電壓源 0VREFR10VDDQ1 圖 電阻與雙極晶體管串聯(lián) 的基準電壓源 在圖 中，得到： ? ?12 D D R E FR E F G S TVVV V V R? ?? ? ? () 11 ()1 ( )REFDDV DDVR E F T R E FVS V V R V???? ?????? () 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 齊納二極管工作在反向偏置區(qū)時，在穩(wěn)定的電壓下，它的電流也是穩(wěn)定的，而且隨著電壓的增加，電流會迅速的增加。因此使用這種基準時，必須提供恒定的電流。最基本的形式就是由電源和電阻來完成，如圖 所示。 VREFVDDR1D0 圖 齊納二極管構(gòu)成的電壓基準源 REF BVVV? () REFDDV Z DDV Z BVrVS r R V? ? () Zr 是擊穿二極管在擊穿點 Q（ 如 圖 ）的小信號阻抗 。 圖 齊納二極管工作特性 反向擊穿發(fā)生在電壓為 BV 的時候， BV 變化范圍為 6V～ 8V(如圖 )， BV 值的大小取決于 n+區(qū)和 p+區(qū)的摻雜濃度。擊穿電壓的溫度系數(shù)會隨著擊穿電壓 BV的值變化，齊納擊穿電壓的溫度系數(shù)為負，雪崩擊穿電壓的溫度系數(shù)為正。通過選擇合適的正溫度系數(shù)就可以抵消掉二極管的結(jié)壓降負溫度系數(shù)（約為 ℃ ）。通過選擇合適的偏置電流，就可以獲得接近零溫度系數(shù)的基準電壓。 然而這種基準源的應(yīng)用越來越少，因為它們使用起來有點困難：精度不高，噪聲大，輸出基準電壓對電流和溫度都有較大的依賴性。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 BVV 的溫度系數(shù)與 BVV 的關(guān)系 帶隙基準電壓源 帶隙基準電壓源的性能較其它 基準 電壓 源有了 很大的飛躍。它 的溫度系數(shù)可以做的很小，可以獲得從 到 10V 的各種基準電壓。由于建立在非表面的帶隙原理 上，因此比齊納 二極管更穩(wěn)定。它的輸出阻抗很低，能保持很小的溫度系數(shù)而且具有較高的 穩(wěn)定性。同時，帶 隙基準源工作的靜態(tài)電流和功耗都很小，電源電壓抑制比比較大，輸出電壓受電 源電壓的影響很小。由于以上優(yōu)點使帶隙基準電壓源得到廣泛的應(yīng)用， 本文所采用的就是帶隙基準電壓源， 下面詳細分析帶隙基準電壓源的原理 [3]。 帶隙基準電壓源的基本原理 圖 是帶隙基準 電壓源 的原理圖。由室溫下溫度系數(shù)為 ℃ 的 pn 結(jié)二極管產(chǎn)生電壓 BEV ；同時也產(chǎn)生一個熱電壓 TV （ T=KT/q） ，它與絕對溫度成正比（ PTAT），它在室溫下的溫度系數(shù)為 +℃ 。如 果電壓 TV 乘以常量 K 加上電壓 BEV ，則輸出電壓為： REF BE TV V KV?? () 式 ()對溫度求導(dǎo)，用 BEV 和 TV 的溫度系數(shù)求出理想的不依賴于溫度 的 K 值。 mVT? ??? /℃ , mVT? ??? /℃ , 則 K=,在理論實現(xiàn)零溫度系數(shù)，此時 ? ? ? ? 由于該電壓等于硅的帶隙電壓（外推到絕對溫度），所以這類基準電路也叫“帶隙”基準電路。 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 BEV 與 PTATV 補償原理 與絕對溫度成正比的電壓 早在 1964 年人們就認識到，如果兩個雙極晶體管在不相等的電流密度下工作，那么它們的基極 發(fā)射極電壓的差值就與絕對溫度成正比。 0I0VD DnI 0Q1Vo2Q2VD D0Vo1R2 圖 與絕對溫度成正比的電壓的產(chǎn)生 如圖 所示，如果兩個同樣的晶體管 (IS1=IS2)偏置的集電極電流分別為 0nI 和 0I ，忽略它們的基極電流，則有 0012 12l n l n l nB E B E B E T T TSSn I IV V V V V V nII? ? ? ? ? ? 因此， BEV的差值與絕對溫度成正比。 負溫度系數(shù)電壓 VBE 有公式 知 ? ?000l n l nT E eB E g T TC b D bC A T TV V V VI N T? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 。 其中， gV 是硅的帶隙勢壘， /TV kT q? ,T 是絕對溫度， 0T 是參考溫度，單位為 K， TEC 是與溫度不相關(guān)的常數(shù) ，蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 eA 是發(fā)射極面積 ， b? 是基區(qū)寬度 ， DbN 是基區(qū)摻雜濃度 ， pb? 是 基區(qū)少數(shù)載流子平均遷移率， γ＝ 4m，α是溫度指數(shù)。 當 T= 0T 時， 0000 0ln T E eB E g C b D bkT C A TVV q I N?????? ????， 其中 0gV 是硅在溫度 0 時的帶隙勢壘。 為了簡化分析，假設(shè) gV 不隨溫度變化，且 0ggVV? ，將 0BEV 的表達式代入式? ?000l n l nT E eE B g T TC b D bC A T TV V V VI N T? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?就可以得到： ? ?000 lnB E gB E g TVV TV V T VTT??? ??? ? ? ? ???? 等式兩邊對溫度求導(dǎo)： ? ? ? ?00 lnB E gBE VVV k T kT T q T q? ? ? ?? ??? ? ? ? ? ???? ?? () ? ?0000B E gBETTVVVkT T q????? ? ? ?? () 可見， BEV 的溫度系數(shù)本身與溫度有關(guān)，如果正溫度系數(shù)的量表現(xiàn)出一個固定的溫度系數(shù)，那么在恒定電壓基準的產(chǎn)生電路中就會產(chǎn)生誤差。因此，只有在一階近似的情況下，基準的溫度系數(shù)才可以認為是很小的。 帶隙基準源的幾種結(jié)構(gòu) 1)widlar 帶隙基準源 第一個帶隙基準源由 Robert widlar 于 1971 年提出，其結(jié)構(gòu)如圖 所示： 由圖 可列方程如下： 1 2 1 223 3 2 1l n ( )B E B E t SSV V V I II R R I I??? () 假設(shè) 12BE BEVV? ，則 1 1 2 2I R I R? 由式 ()可化簡為 2223 1 1ln( )tSSV R II R R I? () 輸出基準電壓 REFV 的表達式如下： 2 2 23 2 2 3 33 1 1ln SR E F B E B E t B E tSR R IV V I R V V V K VR R I??? ? ? ? ? ????? () 蘭州交通大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 這就是 Widlar 帶隙基準電壓的表達式。式中第一項具有 負 的溫度系數(shù)，第二項具有正 的溫度系數(shù) ， 合理地設(shè)置 R1， R2， R3， IS1和 IS2的值， 就 可 使正、負溫度系數(shù)相互抵消，從而實現(xiàn)零溫度漂移。 這種結(jié)構(gòu)的缺點是電源電壓比較高，而且難以保證電流比不隨溫度變化 [4]。