一种带隙基准电压源的设计与仿真

 

　　基准电源与电源本身及其工艺关系很小，而温度特性稳定，被广泛使用在模拟威廉希尔官方网站 之中。基准电源的温度特性和噪声特性是决定威廉希尔官方网站 精度和性能的重要因素。基准电源的输出电压和(或)电流几乎不受温度和电源电压的影响，是模拟集成威廉希尔官方网站 中不可或缺的关键模块。基准电源根据输出的类型可分为基准电压源和基准电流源。基准电压源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙基准电压源3种，基准电流源主要是简单基准电流源、阀值电压相关电流源和带隙基准电流源。准电压源和基准电流源两者并不孤立，电压基准可以转换为电流基准，电流基准也可以转换为电压基准。

　　1 带隙基准电压源的基本原理

　　带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体管基区一发射区电压VBE具有的负温度系数，而不同电流密度偏置下的两个基区一发射区的电压差△VBE具有正的温度系数的特性，将这两个电压线性叠加从而获得低温度系数的基准电压源。

　　利用VBE的负温度系数和△VBE的正温度系数，就可设计出零温度系数的基准电压源。即VBEF=α1VBE+α2(VTln n)。在温室下

，

，令α1=1，αln n≈17.2时，可得到零温度系数的基准为

 

　　

 

　　根据上述理论分析可得到如图1所示的带隙基准威廉希尔官方网站 架构图，其中在鸭管的漏极可得到与绝对温度成正比(PTAT Proportional to Abso-lute Temperature)的电流，先进行理论推导。首先输出基准电压为

　　

 

　　M1、M2和M3采用相同的偏置电压，可得到相同的导通电流ID，放大器保证M1和M2的漏极电压相等，得

　　

 

　　根据上述分析可知，适当调节晶体管的发射极面积和电阻大小，即可得到温度系数为零的输出基准电压。本文设计的带隙基准电压源正是基于此威廉希尔官方网站 构架图而得到的。

　　

 

　　2 带隙基准电压源威廉希尔官方网站 设计

　　2.1 带隙基准核心威廉希尔官方网站

　　带隙基准核心威廉希尔官方网站 采用一阶补偿技术，温度系数一般能达到(10～20)×10-6℃。如图2所示，为本设计的带隙基准电压源的核心威廉希尔官方网站 ，图中用PMOS电流源作为偏置电流，由于MOS管的沟道长度调制效应会导致显著的电源电压依赖性。为解决这一问题，可利用共源共栅结构良好的屏蔽特性，威廉希尔官方网站 中的电流源采用共源共栅结构。同时为减小运放失调电压的影响，可采用两个三极管级联的结构。运算放大器用来保证N1和N2两点的电位相等。根据理论分析可知，适当调整晶体管Q1～Q5的发射极面积和电阻R1～R5的电阻值，可产生与温度无关的基准电压VREF。

　　

 

　　

 

　　

 

　　2.2 运算放大器

　　图2中运算放大器的实际威廉希尔官方网站 如图3所示，该运放威廉希尔官方网站 是由M11～M17组成的二级运算放大器，其中M11～M15组成的差分放大器是一级放大器，M16和M17组成共源极放大器作为放大器的第二级。差分放大器的输出接在M17的栅极。M11为差分放大器提供电流，M12和M13是一对PMOS差分输入，M14和M15组成的电流镜作为有源负载。电容C1是补偿电容，一般取5pF。

　　

 

　　

 

　　

 

　　2.3 偏置威廉希尔官方网站 设计

　　如图4所示，偏置威廉希尔官方网站 为二级放大器的M11和M16两管提供偏置电压Vb。

　　

 

　　

 

　　3 带隙基准电压源的仿真结果

　　由图5可知，当温度在-25～80℃变化时，输出基准电压在1.249 5～1.250 7 V之间变化，可得其温度系数为

　　

 

　　满足设计要求。

　　

 

　　由图6可知，当电源电压在3～5 V之间变化时，输出基准电压在1.251～1.208 V之间变化，变化范围在43 mV以内，满足设计要求。

　　4 结束语

　　设计了一款带隙基准电压源，在LTspice下画出原理图，产生网表后，在Hspice下仿真，结果表明，温度系数为9.14×10-16℃，电源电压在3～5 V之间变化时，基准电压在43 mV以内变化，满足设计要求。