【導讀】基準電壓源是模擬電路設計中廣泛采用的一個關鍵的基本模塊。是它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪性能影響著整個電路系統(tǒng)的精度和性能。本文的目的便是設。計一種高精度的CMOS帶隙基準電壓源。本文首先介紹了基準電壓源的國內外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。壓源的基本結構及基本原理，并對不同的帶隙基準源結構進行了比較。在此基礎上運用曲率校正、內部負反饋電路、整模擬仿真并分析了結果。源抑制比可達到-80dB，啟動時間為700s?。

　　

【正文】 實現(xiàn)溫度補償，可謂時一舉多用。具體 電路如圖 所示 N3R 1 2V I NQP3V R E F1 2QN 4 R E FQP1N6QN 3I B I A SR8QP4R 1 1 圖 快速啟動電路的控制電路 3QP 、 4QP 組成電流鏡 ， 3QP 、 4QP 、 3QN 、 4QN 、 8R 、 11R 和 12R 組成了比較器的蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 24 核心電路，即兩管式的帶隙基準源電路 ， 0I 是與電源無關的偏置電流。 節(jié)點 REF 處的平衡電壓為： 1 2 33 1 2 31 1 42 l nNR E F B E Q N R B E Q NNR K T JV V V V R q J? ? ? ? () 如前面所描述的差分電流產生原理，當 mV 偏離平衡值， 3PQ 、 4PQ 兩條支路產生差分電流， v? 是 mV 和平衡電壓之差， 1） 當 0v?? 時， 43EQn EQnII? 2）當 0v?? 時， 43EQn EQnII? 3）當 0v?? 時， 43EQn EQnII? 當 0v?? 時，隨著 v? 的增加， 1BQpI 增大， 1CQpI 也增大，由于 6N 提供的偏置電流不變，隨著 1CQpI 的增大，將驅動 6N 的漏極增大，達到反相器的門限電壓，輸出為低電平從而關斷啟動電路。同理，當 0v?? 時，反相器輸出高電平 ，開啟電路給電容充電。 考慮到比較器存在延時和充電電流過大，有可能存在過充的現(xiàn)象，所以門限電壓為略低于基準電壓。 快速啟動電路 快速啟動電路 如圖 所示， 當控制電路檢測到 基準源的輸出未達到預定值時，輸出為高電平， 42N 柵電壓為高電平， 42N 導通，導致 8P 柵電壓降低， 8P 導通，開始對電容 2C 充電；當快速啟動電路的控制電路檢測到電容 2C 上的壓降達到預定值時 ，輸出為低電平，從而關斷快速啟動電路，切斷充電電流。 N 4 2R 2 0c o n t ro lP8N3R 3 2V R E FP9N 4 1I B I A SS t a rt u pC2 圖 快速啟動電路 CMOS 帶隙基準電壓源的溫度補償原理 由于快速啟動電路的控制電路對基準源的輸出具有溫度補償作用，本電路在沒有任何電路的情況下實現(xiàn)很好的溫度特性 ， 其工作原理如圖 所示 ， 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 25 0RAVref 1 ARCVref 2BCRBVref 圖 曲率補償原理 電阻網絡中 A， B 兩點電壓分別是 1REFV 和 2REFV ， 1REFV 與 2REFV 分別是兩個溫度特性曲線不一樣的帶隙基準源輸出，其溫度特性曲線如圖 中 1ref 和 2ref 所示。 1REFV 和2REFV 都只是經過一階補償所得的結果，曲率較陡。通過適當的調節(jié) AR 和 BR （一般選取AR = BR ），使電阻網絡中的 C 點處的電壓為[14]： 122 1 2R E F R E F B BC R E F R E F B R E F R E FA B A B A BV V R RV V V R V VR R R R R R?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? 121122REF REFVV?? () 由 式 ()知， 1REFV 與 2REFV 相互補償，可見 CV 的溫度特性曲線在大溫度范圍內保持平滑。 圖 不同的溫度特性曲線相互補償原理圖 在具體電路中實現(xiàn)如下： 1REFV 是 由 6QP 、 7QP 、 6QN 、 7QN 、 1R 、 2R 、 17N 、 18N 所構成的 Bandgap1 的輸出， 2REFV 是由 3QP 、 4QP 、 1QP 、 3QN 、 4QN 、 8R 、 11R 、 12R 所構成的 Bandgap2 的輸出。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 26 21 1l n 8TR E F b eRVVV R?? () 112 12ln 8TREF be RVVV R?? () 其中電阻比值并不相等， 2 1 11 12//R R R R? 。這樣設計的目的是要得到兩個溫度特性不一樣的帶隙基準電壓源，利用它們相互補償，因為電阻比值的大小直接影響到基準電壓源的零溫度系數和曲率。 由前面的分析可知 BEV 如表達式 如下： ln CBE T SIVVI? BEV 式所示 對溫度求導 ： ( ) ( ) ( ) ( ) l n ( )( 4 )B E G b e r G r rrV T V T V T V T k T TnT T T q? ? ?? ? ? ??? l n [ ( ) / ( )] ( )( 4 )()C C r CCk k I T I T kT I Tn q q q I T T?? ? ? ? ? () 從 式 ()可知 ， ()BEVTT? ? 是隨偏置電流 CI 的變化而變化的。當偏置電流 CI 變小， ()BEVTT? ?變大，反 之， CI 變大， ()BEVTT? ? 變小。由于 1 12RR? ， REF1 中的電流 1CI 小于 REF2 中的電流 2CI ，因此 12( ) ( )BE BEV T V TTT?????。將 ()和 ()式對溫度求導，得 1 1 12l n 8R E F B EV V kRT T q R???? () 2 2 1 211ln 8R E F B EV V kRT T q R?????? () 由于 12( ) ( )BE BEV T V TTT?????， 21/ ? ， 11 12/ ? ，因此 21REF REFVVTT??? ,即REF2 的零溫度系數會比 REF1 的零溫度系數 點低，正如圖 所示。 現(xiàn)在來估算 1REFV 的零點溫度系數 1rT 。 假設 ()GVT不隨溫度變化，并且只利用 與 （ ）式中的溫度一階項估算 1REFV 的零溫度系數 時的溫度 1rT ，那么（ ） 式可以寫成： 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 27 1 1 0 1 1 21 1 1( ) ( ) 2 l n 0R E F b e r G rrV V T V T kR NT T R q??? ? ?? () 1( ) rV T V? ， 01( ) 05GrV T V? ， q mV? /℃ ? ?0 1 1 1 21 311( ) ( ) 1 . 2 0 5 0 . 7 2 7 6 32 l n 2 5 . 0 6 0 . 0 8 7 1 0 l n 8G r b e rr V T V T R qTKkR N ?? ?? ? ? ?? ? ? ?℃ 同理可以求出 ? ?0 2 2 12 32( ) ( ) 1 . 2 0 5 0 . 7 3 6 7 9 42 l n 2 3 . 8 0 . 0 8 7 1 0 l n 8G r b e rr V T V T R qkR N ?? ?? ? ? ?? ? ? ?℃ 由 此可知，快速啟動電路的控制電路在低溫時會有比較好的的溫度特性，它 能對帶隙基準源核心電路的溫度特性在低溫時有很好的補償，經過補償后，至少在 3℃ ～ 94℃溫度范圍內，帶 隙基準源的溫度特性曲線會保持平滑。 高精度 CMOS 帶隙基準 電壓 源的電路仿真 仿真工具的介紹 模擬電路由于其在性能上的復雜性和電路結構上的多樣性，對仿真工具的精度、可靠性、收斂性以及速度等都有相當高的要求。國際上公認的模擬電路通用仿真工具是美國加利福尼亞大學伯克利 (Berkeley)分校開發(fā)的通用電路模擬程序 SPICE( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)， 目前享有盛譽的 EDA 公司的模擬電路仿真工具，都是以 SPICE 為基 礎實現(xiàn)的。其中以美國原 Meta Software 公司的 HSPICE 和 Micro Sim 公司的 PSPICE 最為流行。 HSPICE 是 Meta 軟件公司推出的工業(yè)級電路分析產品，它能提供電路在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài) 及頻域狀態(tài)下所進行的模擬仿真，包括直流工作點和直流傳輸特性分析、交流小信號分析、噪聲分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、靈敏度分析、溫度分析、最壞情況分析以及蒙特卡羅分析等等。采用 HSPICE 可從直流到大于 100GHZ的微波范圍內對電路作精確的模擬、分析 [15]。 核心電路 的 仿真結果 圖 是在溫度 為 25℃ ， 電源電壓為 5V 時，核心電路的輸出基準電壓隨電源電壓的變化曲線。由圖 可以看出： 常溫下，核心電路的 仿真曲線 在 3V 以后 變得平緩，輸出電壓在 ～ ,但是這個精確度還遠遠不能滿足我們的設計要求，所以還需要對電路作更進一步的完善。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 28 圖 核心電路的 基準電壓隨輸入電壓的變化 電源抑制比電路 的 仿真結果 圖 是在溫度 為 25℃ ， 電源電壓為 5V時，帶隙 基準電壓 源 的電源抑制比特性，掃描范圍是 1Hz 到 10MHz。 由圖 可以看出 ： 常溫下， 帶隙 基準電壓在整個工作帶寬內都具有很高 的電源抑制比，尤其是高頻區(qū)域有了很明顯的提高。在 1MHZ 時，基準電壓的電源抑制比都在 80dB 以下 。 圖 基準源的電源抑制比曲線 快速啟動電路 的 仿真結果 圖 是帶有快速啟動電路的啟動時間特性曲線，其工作條件是 電源電壓為 5V，溫度為 25℃ 。 由圖 可以看出：由于采用了快速啟動電路， 啟動時間大約為 700 s? ；如果不采用快速啟動電路， 如圖 所示，在同樣的工作條件下， 啟動時間將 會 延長到蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 29 20ms。可見，加入啟動電路后，帶隙基準源 能夠快速、平穩(wěn)的啟動，完全符合 設計要求。 圖 帶有 快速啟動電路 的啟動時間曲線 圖 沒有 快速啟動電路的啟動時間曲線 整體電路的 仿真結果 1） 電源電壓穩(wěn)定性 圖 是在 溫 度 25℃ 時，帶隙基準 電壓 源 的 輸出電壓 Vref隨電源電壓變化的曲線 。由圖 可以看出，電源電壓在 ～ 范圍內變化時，基準源輸出電壓小于，幾乎保持不變，因此基準源具有良好的 穩(wěn)定性。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 30 圖 基準電壓隨輸入電壓的 變化 2)溫度特性 圖 是 在 電源電壓為 5V 時， 帶隙 基準電壓源 的 輸出電壓 Vref隨溫度變化的曲線。由圖 可以看出在 0℃ ～ 100℃ 的 范圍內 ,基準電壓的輸出變化 小于 ， 由 公式6m ax m inm ax m in 10()m ea nVVT V T T????（ ppm/℃ ） 得到其 相對溫度系數為 ℃ ，具有良好的溫度特性。 圖 基準源輸出電壓的溫度特性曲線 本章小結 本章結合目前 各種 高精度 CMOS 帶隙 基準電壓源的性能指標 和 不同的電壓源結構，選擇了滿足要求的提高電源抑制比電路、快速 啟動電路 及其控制電路 ， 通過對電路的分蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 31 析 計算 確定了電路各部分的性能指標， 并且實現(xiàn)了很好的溫度補償 ，最 后通過 對 各 部分電路以及整體電路的仿真 ，驗證了設計的合理性 。 蘭州交通大學畢業(yè)設計（論文） 32 結 論 基準電壓源廣泛應用于 各種集成電路中，其精度和穩(wěn)定性直接影響著整個系 統(tǒng)的性能，在生活 中對基準源的功耗、電源抑制比、工作電壓等方面 都 有較高的要求。 本文通過對 CMOS 帶隙基準電壓源 進行 深入 的 研究，設計出了一種精度較高的帶隙基準源 。 由電路的 仿真結果可將基準源的性能 概括如下 : 1） 產 生 基準電壓 ； 2） 電壓范圍 ～ 內 基準源 變化小于 ； 3） 輸入電壓 為 5V 時，在 0℃ ～ 100℃ 范圍內，溫度系數可以達到 ℃ ； 4） 基準 源 有較高的電源抑制比，在 1HZ到 10MHZ范圍內，平均電源抑制比（ PSRR）已經達到 80dB； 5） 啟動時間為 700 s? ； 以上結果表明，該帶隙 基準電壓源各項重要的性能指標完全合乎 要求，是一種 高精度 的 CMOS 帶隙基準 電壓 源。