一种带隙基准电压源的设计与仿真

摘要 设计了一款带隙基准电压源，基于0．18μm的CMOS工艺，在Hspice下仿真，仿真结果表明，温度在-25～80℃内变化时，温度系数为9．14×10-6℃；电源电压在3～5 V之间变化时，基准电压在1 250±43 mV内变化，满足设计要求。
关键词 带隙基准；温度系数；互补金属氧化物半导体(CMOS)

    基准电源与电源本身及其工艺关系很小，而温度特性稳定，被广泛使用在模拟电路之中。基准电源的温度特性和噪声特性是决定电路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，是模拟集成电路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所示的带隙基准电路架构图，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电路构架图而得到的。

2 带隙基准电压源电路设计
2．1 带隙基准核心电路
    带隙基准核心电路采用一阶补偿技术，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电路，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，电路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电路如图3所示，该运放电路是由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 偏置电路设计
    如图4所示，偏置电路为二级放大器的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。