一種簡易可行的帶隙基準電壓的設計

模擬電路設計常常用到電壓基準和電流基準。這些基準受電源、溫度或者工藝參數(shù)的影響很小，為電路提供一個相對穩(wěn)定的參考電壓或者電流，從而保證整個模擬電路穩(wěn)定工作。

目前已經(jīng)出現(xiàn)的高性能帶隙基準，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、低溫漂和低功耗，但這些電路中一般都有運放，調(diào)試難度較大；電路結(jié)構(gòu)復雜，原理不便理解。在一般的應用中，如果對帶隙基準電壓的要求不是特別高的情況下，完全可以采用一種更為簡潔的電路結(jié)構(gòu)。

因此，這里介紹一種簡易可行的帶隙基準電壓的設計，利用PTAT電壓和雙極性晶體管發(fā)射結(jié)電壓的不同的溫度特性，獲取一個與溫度無關(guān)的基準電壓。

1 低溫漂低功耗帶隙基準電壓設計
??? 帶隙基準電壓的設計目標，就是建立一個與電源和溫度無關(guān)的直流電壓VREF。進一步將該目標分為2個設計問題：設計與電源無關(guān)的偏置，獲取能抵消溫度影響的電壓值。圖1為其整體設計框圖。

1．1 與電源無關(guān)的偏置
??? 首先設計與電源無關(guān)的偏置?？紤]采用2個NMOS管和電阻做近似的電流鏡做偏置，并充分利用電流鏡的“電流復制”特點，設計一個簡單的電流產(chǎn)生電路，如圖2所示。在這個電路中，因為柵漏短接的MOS管都是由一個電流源驅(qū)動，所以I0和I1幾乎與電源電壓無關(guān)。同時，2條支路的電流關(guān)系是確定的，只要已知I0，便可由寬長比得到左邊支路電流的大小。忽略溝道長度調(diào)制效應的影響，支路電流的比值和MOS管寬長比的比值成正比。為了唯一確定電流，加入電阻R1。則有：VGS1=VGS2+I0R1，忽略體效應，有：
???
??? 由式(1)可見，輸出電流與電源電壓無關(guān)，但仍與工藝和溫度有關(guān)。

1．2 與溫度無關(guān)的基準
??? 帶隙基準的核心，就是將有著正負相反溫度系數(shù)的電壓以適當?shù)南禂?shù)加權(quán)，得到零溫度系數(shù)的電壓量。本設計中用到的負溫度系數(shù)電壓，是PN結(jié)的正向電壓，也就是BJT的發(fā)射結(jié)正偏電壓。雙極型晶體管的集電極電流和基極發(fā)射極電壓的關(guān)系：
???
式中，Is是雙極型晶體管的飽和電流，Eg是硅的禁帶寬度。當VBE≈0．75 v，T=300 K時，。注意，該溫度系數(shù)本身與溫度有關(guān)，可能會引起誤差。
??? 相同的雙極型晶體管在不等的電流密度下工作，它們的基極發(fā)射極電壓差值與絕對溫度成正比，利用這個關(guān)系，建立一個帶正溫度系數(shù)電壓。假設BJT的飽和電流，Is1=Is2=Is，集電極電流分別為nI0和I0，那么：
???
??? 根據(jù)以上分析，完全可以利用這2種帶有相反溫度系數(shù)的電壓設計一個零溫度系數(shù)的電壓基準。假設，已知，取α=1，則只需βlnn≈17．2，即可滿足，實現(xiàn)了零溫度系數(shù)基準電壓VREF。
1．3 參數(shù)確定
??? 電路整體設計如圖3所示。

??? 其輸出電壓的表達式：
???
式中，n是VQ1的BJT并聯(lián)數(shù)，m是流經(jīng)R2和R1的電流比值，等于Vp3和Vp1的寬長比。
??? 在調(diào)試電路時應該注意，Vp1、Vp2、VN1、VN2和電阻組成提供偏置的電流源，因此Vp1和Vp2、VN1和VN2應該盡量匹配，對稱設計，且管子尺寸稍大。同時，使VN1和VN2的源極電壓值盡可能相等。
??? 在原理設計中，多次進行理性化估計，實際測試中存在的誤差在所難免。為了達到最優(yōu)效果，必須在測試中不斷修正電路參數(shù)，然后再做測試。同時也應意識到，任何一個電路的各個指標都是相互影響相互制約的，應根據(jù)需要調(diào)整，以保證整體設計效果。
2 仿真結(jié)果
??? 采用0．35μm BiCMOS工藝模型對電路進行仿真，輸出電壓隨溫度變化曲線如圖4所示。當電壓提供5 V供電，溫度從O～70℃變化時，電壓始終在1．135 32～1．136 56 V范圍內(nèi)變化，測得溫漂系數(shù)為16．4 ppm／℃。當電源電壓從5～6 V變化時，輸出電壓變化量為1．3 mV，電源抑制比達57．7 dB。噪聲分析如圖5所示，用軟件對曲線進行積分，可得到電路總的輸出噪聲為140．3μV。同時，電路總電流控制在60μA左右，功耗為300．6 μW。

3 結(jié)束語
??? 介紹了一種結(jié)構(gòu)簡易，原理清晰的帶隙基準電壓源的設計過程。采用不受電源影響的串聯(lián)電流鏡做偏置，利用PTAT電壓和基極發(fā)射極電壓的相反溫度系數(shù)特性構(gòu)造輸出電壓。0～70~C范圍內(nèi)，溫漂系數(shù)為16．4 ppm／℃。供電從5～6 V變化時，電源抑制比達57．7 dB?？傒敵鲈肼暈?40．3μV，功耗為300．6μW。參數(shù)達到預定目標，能基本滿足要求。該帶隙基準電壓電路簡單，主要部分只用5個MOS管、3個BJT和2只電阻，避開了通用的帶運放設計，大大簡化調(diào)試難度，而且設計思路簡潔明了，便于入門級人員短時間內(nèi)掌握。