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，同时在威廉希尔官方网站
中加入启动威廉希尔官方网站
，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工艺条件下对威廉希尔官方网站
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带隙电压基准源威廉希尔官方网站
，图中运算放大器的作用是使威廉希尔官方网站
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。
在威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站
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带隙基准电压源威廉希尔官方网站
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。其威廉希尔官方网站
结构如图3所示（不考虑虚线框R5部分）。
BGR核心威廉希尔官方网站
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，大大简化了威廉希尔官方网站
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种方法会增大威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站
，因为带隙基准源存在两个威廉希尔官方网站
平衡点，即零点和正常工作点，当威廉希尔官方网站
处在零点时，整个威廉希尔官方网站
中没有电流流过，威廉希尔官方网站
不能正常工作。启动威廉希尔官方网站
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，启动威廉希尔官方网站
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。启动威廉希尔官方网站
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中所示的启动威廉希尔官方网站
，威廉希尔官方网站
由M11、M12和M13构成。当威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站
中没有电流流过。
3 威廉希尔官方网站
模拟和仿真结果
基于0.25μm BSIM3V3.2工艺模型，用cadence的spectre仿真工具对高精度输出可调带隙基准电压源威廉希尔官方网站
进行了温度扫描和电源抑制比的模拟仿真。温度范围为-20℃～70 ℃，电源电压范围为2 V～3 V。在SMIC 0.25μm BSIM3V3.2工艺tt模型下的仿真所得结果为：输出Vref为1.012 V左右时，温度系数可达4.8×10-6／℃（如图4（a）所示），PSRR可达54 dB（如图4（b）所示）；输出Vref1为453.7 mV左右时，温度系数可达4.4×10-6／℃（如图5（a）所示），PSRR为42 dB（如图5（b）所示）。
4 结束语
本设计是在传统带隙基准电压源理论的基础上，对威廉希尔官方网站
进行改进而得到的高精度、输出可调的基准电压源，在设计中采用了一级温度补偿、电流反馈等技术，并在威廉希尔官方网站
中增加了启动威廉希尔官方网站
。仿真结果显示该设计温度系数高，可输出不同范围稳定的基准电压，达到预期的设计目标。
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，同时在威廉希尔官方网站
中加入启动威廉希尔官方网站
，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工艺条件下对威廉希尔官方网站
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带隙电压基准源威廉希尔官方网站
，图中运算放大器的作用是使威廉希尔官方网站
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。
在威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站
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带隙基准电压源威廉希尔官方网站
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。其威廉希尔官方网站
结构如图3所示（不考虑虚线框R5部分）。
BGR核心威廉希尔官方网站
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，大大简化了威廉希尔官方网站
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种方法会增大威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站
，因为带隙基准源存在两个威廉希尔官方网站
平衡点，即零点和正常工作点，当威廉希尔官方网站
处在零点时，整个威廉希尔官方网站
中没有电流流过，威廉希尔官方网站
不能正常工作。启动威廉希尔官方网站
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，启动威廉希尔官方网站
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。启动威廉希尔官方网站
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中所示的启动威廉希尔官方网站
，威廉希尔官方网站
由M11、M12和M13构成。当威廉希尔官方网站
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威廉希尔官方网站
中没有电流流过。
3 威廉希尔官方网站
模拟和仿真结果
基于0.25μm BSIM3V3.2工艺模型，用cadence的spectre仿真工具对高精度输出可调带隙基准电压源威廉希尔官方网站
进行了温度扫描和电源抑制比的模拟仿真。温度范围为-20℃～70 ℃，电源电压范围为2 V～3 V。在SMIC 0.25μm BSIM3V3.2工艺tt模型下的仿真所得结果为：输出Vref为1.012 V左右时，温度系数可达4.8×10-6／℃（如图4（a）所示），PSRR可达54 dB（如图4（b）所示）；输出Vref1为453.7 mV左右时，温度系数可达4.4×10-6／℃（如图5（a）所示），PSRR为42 dB（如图5（b）所示）。
4 结束语
本设计是在传统带隙基准电压源理论的基础上，对威廉希尔官方网站
进行改进而得到的高精度、输出可调的基准电压源，在设计中采用了一级温度补偿、电流反馈等技术，并在威廉希尔官方网站
中增加了启动威廉希尔官方网站
。仿真结果显示该设计温度系数高，可输出不同范围稳定的基准电压，达到预期的设计目标。
举报
举报
