0．5μm CMOS带隙基准电路设计

1 引言
    基准电压源是模拟电路设计广泛采用的一个关键模块．可提供高精度和高稳定度基准量电源。该基准电压源与电源、工艺参数和温度相关性很小，但产生的基准电压精度、温度稳定性和抗噪声干扰能力直接影响整个电路系统的精度和性能。因此，设计高性能基准电压源具有重要意义。
    1971年Robert Widla提出带隙基准电压源技术以来，相对其他类型的基准电压源而言，带隙基准电压源以其低温度系数、低电源电压，可与标准CMOS工艺相兼容的特点，广泛应用于集成电路翻。现以带隙基准电压源的产生原理为基础，提出了一种具有良好自启动和低功耗特性的CMOS带隙基准电压源。该带隙基准电压源用于BLVDS总线收发器电路，主要为BLVDS总线驱动器、接收器提供所需的1．25 V偏置电压。

2 带隙基准电源的电路结构
2．1 带隙基准电源核心电路
    带隙基准电源的原理是将两个具有相反温度系数(TCs)的量以适当的权重相加，其结果显示为零温度系数。例如：对于随温度向相反方向变化的电压V1和V2，选取α1和α2，使得αaV1/aT+α2aV2/aT=0。这样可得到具有零温度系数的电压基准：Vref=α1V1+α2V2。
    通常，带隙基准电路采用双极晶体管实现，其基极一发射极电压Vbe具有负温度系数，而热电压(Vt=KT/q)具有正温度系数。图1给出利用双极晶体管产生的一个零温度系数基准。其输出电压Vref=Vbe+KVt(K是玻尔兹曼常量，Vt为热电压)。

2．2 带隙基准启动电路
    在与电源无关的偏置电路中有一个很重要的问题就是存在“简并”偏置点。因此需要在电路中增加启动电路。以驱使电路摆脱“简并”偏置点。图2给出简单的偏置电路。当电源上电时，所有晶体管的传输电流均为零。

    图3给出带自启动特性的偏置电路。图中增加了二极管连接器件VM5。上电时VM5提供了从VDD经VM0，VM5，VM2及R0到地的电流通路，使电路不再保持关断，从而摆脱了“简并”点。一旦电路正常工作，启动电路中各支路都没有电流通过，不会引起额外功耗。为了仔细分析和模拟启动问题，不仅在直流扫描仿真中要求电源电压从零伏开始上升．而且在瞬态仿真中也要求电源电压从零伏开始上升。另外，还必须在每个电源电压下检查电路特性。在较为复杂的电路中，可能存在不止一个“简并”点。

3 提出的带隙基准电路
3．1 启动电路实现
    由于电路采用共源共栅结构，因此为了防止电路工作在零偏置点，增加启动电路，使A6节点偏置，注入电流也可使电路摆脱“简并”点而正常工作。图4给出带隙基准电压源电路。VDD经VM6，VM7，VM12为一条到地通路，A4节点拉高，经过反相器，A5节点为低，使VM8启动并向A6节点注入电流，从而使核心电路摆脱零偏置开始工作，完成启动。当电路开始正常工作时，VM5经过VM4的镜像电流，使A3节点拉高。当VM13启动后，A4节点拉低，A5节点经反相为高，促使VM8关断，启动电路停止工作。
3．2 核心电路实现方法
    图4给出带隙基准电压源电路。该电路的核心，是通过采用共源共栅结构保证了A1和A2节点的电压相等，因而在一定程度上增加了整个电路的电源抑制比。假设VM3和VM4，VM9和VM10均为宽长比相等的对管，则采用共源共栅结构，可使流过双极晶体管VQ1的电流等于流过双极晶体管VQ2的电流，即I1=I2。由此可得：

式中：Is为饱和电流；Vbe为双极晶体管的基极一发射极正偏电压Vbe=Vtln(I/Is)；V1=KT/q；K为玻尔兹曼常量；T为绝对温度；q为电子电荷。
    依据Vbe和Vt的温度系数，选择合适的Vt系数，以得到零温度的基准系数。在该电路中取VQ1，VQ2的发射结面积之比为8：1，即IS1/IS2=8。
3．3 反馈回路
    在带隙基准电源电路中增加负反馈回路会增加系统输出的稳定性，并在一定程度上提高电路的电源抑制比δPSRR。图4中所示，假设Vref节点的电压升高，VM1的漏源电压减小，导通程度减弱，IVM1减小。通过VM14和VM15，VM2和VM3，VM4的镜像结构，I1和I2都有减小的趋势。由式(1)可得Vref减小，从而稳定输出电压Vref。

4 仿真结果
    采用SYNOPSYS公司的HSPICE电路仿真。图5给出启动过程的仿真结果。图6给出Vref，δPSRR和带隙基准电源随温度变化特性仿真结果。其电源电压VDD=3．3V±10％；仿真温度范围为-45℃～+85℃。仿真的corner包括：ff(fast model)，tt(typical model)，ss(slow model)。仿真结果表明，在VDD=3．3 V，T=25℃时，输出电压Vref=1．25V：在温度范围为-45℃～+85℃时，温度系数为20 pm／℃；低频下的δPSRR=一58．3 dB。

5 结语
    随着CMOS工艺的发展，采用CMOS工艺设计高性能、低功耗、低成本的高速电路。该设计采用华润上华0．5μmCMOS工艺，运用带隙基准原理，设计出输出稳定的带隙基准电路。该电路用于BLVDS总线收发器，主要为BLVDS总线驱动器、接收器提供所需的偏置电压。HSPICE仿真结果表明，在电源电压VDD=3．3V，温度为25℃时，Vref=1．25 V。在温度范围为一45℃～+85℃，输出电压温度系数为20 pm／℃，在低频时电源电压抑制比为一58.3 dB。