低壓CM0S帶隙基準電壓源設計

低壓CM0S帶隙基準電壓源設計

近年來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，低壓低功耗已成為當今電路設計的重要標準之一。比如，在一些使用電池的系統(tǒng)中，要求電源電壓在3 V以下。因此，作為電源調(diào)節(jié)器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器等電路核心功能模塊之一的電壓基準源，必然要求在低電源電壓下工作。基準電壓源廣泛應用于電源調(diào)節(jié)器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及各種測量設備中。

在傳統(tǒng)的帶隙基準源設計中，輸出電壓常在1．25 V左右，這就限制了最小電源電壓。另一方面，共集電極的寄生BJT和運算放大器的共模輸入電壓，也限制了PTAT電流生成環(huán)路的低壓設計。近年來，一些文獻力圖解決這方面的問題。歸納起來，前一問題可以通過合適的電阻分壓來實現(xiàn)；第二個問題可以通過BiCMOS工藝來實現(xiàn)，或通過低閾值電壓的MOS器件來實現(xiàn)，但工藝上的難度以及設計成本將上升。

基于上面的考慮，本文首先對傳統(tǒng)的帶隙電壓源原理進行分析，然后提出了一種比較廉價且性能較高的低壓帶隙基準電壓源，采用電流反饋、一級溫度補償技術(shù)設計了低壓CMOS帶隙基準源電路，使其電路能工作在較低的電壓下。本文介紹這種帶隙電壓基準源的設計原理，給出了電路的仿真結(jié)果，并對結(jié)果進行了分析。并基于CSMC 0．5μm Double Poly Mix Process對電路進行了仿真，得到理想的結(jié)果。

低壓COMS基準電壓源設計

1．1 傳統(tǒng)的帶隙基準源

圖1為帶隙基準電壓源的原理示意圖。雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE，具有負的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)一般為-2．2 mV／K。而熱電壓VT具有正的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)在室溫下為十0．085 V／K。將VT乘以常數(shù)K并和VBE相加就得到輸出電壓VREF：

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將式(1)對溫度T微分并代入VBE和VT的溫度系數(shù)可求得K，它使VREF的溫度系數(shù)在理論上為零。VBE受電源電壓變化的影響很小，因而帶隙基準電壓的輸出電壓受電源的影響也很小。

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圖2是典型的CMOS帶隙電壓基準源電路。兩個PNP管Q1，Q2的基極一發(fā)射極電壓差△VBE：

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式中：J1和J2是流過Ql和Q2的電流密度。運算放大器的作用使電路處于深度負反饋狀態(tài)，使得節(jié)點1和節(jié)點2的電壓相等。即：

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由圖2可得：

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通過M1和M2的鏡像作用，使得I1和I2相等，結(jié)合式(4)和式(5)可得：

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式中；A1和A2是Q1和Q2的發(fā)射極面積。比較式(5)和式(1)，可得常數(shù)K為：

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在實際設計中，K值即為式(7)表示。

傳統(tǒng)帶隙基準源結(jié)構(gòu)能輸出比較精確的電壓，但其電源電壓較高(大于3 V)，且基準輸出范圍有限(1．2 V以上)。要在1．8 V以下的電源電壓得到1．2 V以下的精確基準電壓，就必須對基準源結(jié)構(gòu)上進行改進和提高。

1．2 低壓COMS基準電壓源的電路設計

本設計基于CSMC-O．5μm-CMOS工藝(NMOS的閾值電壓為0．536 V，PMOS的閾值電壓為-0．736 V)。采用一級溫度補償、電流反饋技術(shù)設計的低壓帶隙基準源電路如圖3所示。低壓帶隙基準源的電流不僅用于提供基準輸出所需的電流，也用于產(chǎn)生差分放大器所需的電流源偏置電壓，簡化了電路和版圖設計。

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為了與CMOS標準工藝兼容，電路中PNP的e，b，c區(qū)分別采用P+，N-well，P-sub集電極接地。Q2和Q1的發(fā)射極面積比為8：1，流過Q1和Q2的電流相等，這樣△VBE等于VTln 8。流過電阻R1的電流與熱力學溫度成正比。三路鏡像電流源使得流過P2，P3，P4的電流相等(I1=I2=I3)。

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輸出電壓VREF為：

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電路中的溫度補償系數(shù)K為：

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通過調(diào)節(jié)R4的值，可以調(diào)節(jié)輸出電壓VREF的大小。在電源電壓變化時，P2，P3，P4的漏源電壓值保持不變，與電源電壓無關(guān)，其柵極電壓由運放調(diào)節(jié)。為了降低電路的復雜度，應用電流反饋原理，運放采用簡單的一階運放，由于VDD的變化多于GND的變化，故運放的輸入采用NMOS的差分對結(jié)構(gòu)。因為整個電路在低壓下工作，故整個電路設計的重點是要保證低壓下運放的正常工作。

由于帶隙基準源存在兩個電路平衡點，即零點和正常工作點。當基準源工作在零點時，節(jié)點1、2的電壓等于零，基準源沒有電流產(chǎn)生。固需要設計一個啟動電路，避免基準源工作在平衡零點。本設計的啟動電路由N5、N6和P7構(gòu)成。當電路工作在零點時，N6管導通，迅速提高節(jié)點1、2的電壓，產(chǎn)生基準電流，節(jié)點1的電壓通過P7和N5組成的反相器，使N6管完全截止，節(jié)點1、2的電壓回落在穩(wěn)定的工作點上，基準源開始正常工作。

電路的器件參數(shù)如表1所示，P2，P3，P4管的尺寸較大，是為了降低電路中的1／f噪聲。電流鏡的負載管P5，P6和差分對管N1，N2的寬長比較大，以抑制電路的熱噪聲。由于電路中的電阻值較大，故在工藝中用阱電阻實現(xiàn)。電容C0有助于電路的穩(wěn)定，同時還可以減小于運放的寬度，有助于降低噪聲的影響。

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2 仿真與結(jié)果分析

在Cadence設計平臺下的Spectre仿真器中基于CSMC 0．5 μm CMOS工藝模型對電路進行了仿真。得到電路的溫度特性曲線、直流電源抑制特性曲線、交流PSRR特性曲線、啟動時間曲線如圖4所示。各項仿真結(jié)果參數(shù)如表2所示。

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3 結(jié)語

在應用典型CMOS電壓基準源的基礎(chǔ)上，綜合一級溫度補償、電流補償技術(shù)，設計了帶隙電壓基準源電路。該帶隙基準源電路的電源工作范圍為1．6～4 V，工作溫度為-10～+130℃，基準輸出電壓VREF為(650．5±0．5)mV，溫度系數(shù)可低至2．0 ppm／℃，電源抑制比為-70 dB。仿真結(jié)果證明了設計的正確性。