- 一種低溫漂的CMOS帶隙基準電壓源的研究
- 了解帶隙基準電路的基本原理
- 采用一階溫度補償技術的CMOS帶隙基準電壓源
近年來，由于集成電路的飛速發展，基準電壓源在模擬集成電路、數模混合電路以及系統集成芯片(SOC)中都有著非常廣泛的應用，對高新模擬電子技術的應用和發展也起著至關重要的作用，其精度和穩定性會直接影響整個系統的性能。因此，設計一個好的基準源具有十分現實的意義。
1 帶隙基準電路的基本原理
帶隙基準電壓源的目的是產生一個對溫度變化保持恒定的量，由于雙極型晶體管的基極電壓VBE，其溫度系數在室溫(300 K)時大約為-2．2 mV／K，而2個具有不同電流密度的雙極型晶體管的基極-發射極電壓差VT，在室溫時的溫度系數為+0．086 mV／K，由于VT與VBE的電壓溫度系數相反，將其乘以合適的系數后，再與前者進行加權，從而在一定范圍內抵消VBE的溫度漂移特性，得到近似零溫度漂移的輸出電壓VREF，這是帶隙電壓源的基本設計思想。
1．1 帶隙基準電壓源核心電路
本文提出的電路核心結構如圖1所示，在電路中雙極晶體管構成了電路的核心，實現了VBE與VT的線性疊加，獲得近似為零溫度系數的輸出電壓。圖1中雙極型晶體管Q1和Q2的發射區面積相同，Q3和Q4的發射區面積相同，考慮設計需求，取Q1和Q2的發射區面積為Q3和Q4的發射區面積的8倍。
在實際電路中，經過計算可知當取R3／R1=2．3066時，可以得到室溫下的近似零溫度系數的輸出參考電壓。
1．2 帶隙基準電壓源總體電路
帶隙基準電壓源總體電路總共由4部分組成：A部分是啟動電路，B部分提供偏置電壓，C部分是運算放大器，D部分是帶隙電壓源的核心部分。其中核心部分是由雙極晶體管構成，實現了VBE和VT的線性疊加，獲得近似零溫度系數的輸出電壓。總體電路如圖2所示。
基準源中運放的設計是非常重要的，運放的失調是基準源的一個主要誤差源。由于不對稱性，運放會受到輸入失調的影響。假設失調電壓為Vos，經計算得到含失調電壓的輸出公式為：
1．4 電源抑制比
電源抑制比(PSRR)是電路對電源電壓頻率變化的抑制能力，是從運放的輸入到輸出的開環增益與從電源到運放輸出的增益之比，用KPSR表示。對帶隙基準而言，由于輸出電壓和Vdd無關，所以Vdd的變化基本上不會影響輸出參考電壓的影響。但是隨著工作頻率的提高，由于電容耦合的原因導致輸出電壓在高頻時會受到Vdd的波動的影響，從而影響輸出電壓的穩定性。具體的電路設計中考慮了這一點，在電路中采用了自偏壓cascode結構的電流鏡，同時在輸出端接一對地濾波電容，輸出電壓的電源抑制特性就得到了很好的提高。
1．5 啟動電路
啟動電路也是帶隙基準源中一個重要的部分。如圖2中A部分所示，電路可能會出現零輸出的情況。因為放大器兩端的輸入都為零電平時，電路處于一種不工作狀態，因此需要一個啟動電路來打破這種平衡。圖中引入的啟動電路由Mp1～Mp6和Mn1～Mn4組成。其工作原理是由Mp1～Mp4，Mn1組成的反向器驅動Mn2和Mn3，使Mn2和Mn3導通，從而通過a點和b點間接給運算放大器的兩個差分輸入端提供偏置電壓，保證在系統加電的時候，輸入差分對不會關斷，當電路正常工作后，啟動電路關斷。
2 仿真結果
2．1 溫度特性
該電路的仿真基于Chartered 0．25 μm models。仿真軟件是T—SPICE，電源電壓為3．3 V，R3／R1的比值為2．306 6，這樣的結果在版圖設計中比較容易實現，可以采用單元電阻串連的形式，有利于減少因為版圖失配引起的誤差。單元電阻的W=3μm，L=10 μm，方塊電阻R=330 Ω，采用的第一層多晶實現。圖3所示的是輸出電壓溫度特性的仿真結果。
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2．2 電源抑制特性
圖4是在1 Hz到10 GHz的范圍進行掃描所得到的不同的電源抑制情況。低頻時抑制情況不太好，在-10 dB左右，還有待于提高；高頻抑制情況很好，基本穩定在-120 dB左右。與傳統電路相比，本文提出的這種電路可以用于在各種系統尤其是高頻系統中，這一點是傳統電路所無法比擬的。
2．3 噪聲特性
噪聲是影響帶隙基準源穩定性的主要因素之一。通常噪聲分為外部噪聲和內部噪聲。外部噪聲一般都由電源電壓的變化以及其他電路的干擾造成。內部噪聲主要包括熱噪聲和閃爍噪聲。閃爍噪聲的大小與頻率成反比，因而在低頻下主要為閃爍噪聲，而高頻下為熱噪聲，對于高頻的熱噪聲，可以在輸出端Vref處加一個RC低通濾波器解決掉，而低頻的來自耦合到電源的噪聲則是需考慮的，可以通過提高電源抑制比來減小。圖5為電路在輸出端和電源電壓處的噪聲特性，在輸出端低頻時噪聲為10．4 nv／Rt，高頻時噪聲幾乎為0 nv／Rt，性能很好。電源電壓處的噪聲為9．6nv／Rt左右。
電路的其他方面的性能仿真結果如表1所示。表1的仿真結果是在電源電壓為3．3 V的條件的測得的。有效電流指的是在電路正常工作的情況下從電源到地之間的電流，關斷電流指的是在電路不工作的情況下從電源到地的漏電流。
本文研究了一種在0．25 μm N阱CMOS工藝下采用一階溫度補償技術的CMOS帶隙基準電壓源。電路經過參數優化后用T-SPICE仿真結果為：在3．3 V電源電壓下的輸出的參考電壓為1．403 1 V，當溫度在-20～70℃之間變化時，電路的溫度系數達到了10x10-6／℃，室溫下電路的功耗為5．283 1 mW，電路低頻時的電源抑制比特性還不是很好，還有待于進一步的提高，高頻時的電源抑制比非常好，因此本電路可以廣泛應用于低功耗，低溫漂，高頻集成電路中。
