一种高精度低电源电压带隙基准源的设计

输出不随温度、电源电压变化的基准电压源，在模拟和混合集成电路中应用广泛，特别是在高精度的场合，基准电压源是整个系统设计的前提。
    由于带隙基准电压源具有较低的温度系数和高电源电压抑制比，以及能与标准CMOS工艺相兼容等优点，因而成为常用的基准电压源实现方式。文献设计了具有温度补偿的传统带隙基准电路，但其电源电压和温度系数过高，且输出电压约在1．25 V，难以满足低压的要求。文献设计了低电源电压带隙基准电路，但输出基准电压过高。文献提出了解决方法，设计了低压带隙基准源，电路结构复杂。
    文在分析几种基准源的基础上，采用0．25 μmCMOS工艺设计了一种低电源电压、低输出电压、高电源电压抑制比、高精度的带隙基准源，经Hspice仿真表明设计的电路具有良好的性能。

1 Baftda提出的低压带隙基准电路
    统的带隙基准电路的原理是将两个具有相反温度系数的电压以适当的权重相加，基准电压的典型值约为1．2 V。Banda提出了电流求和型带隙基准电路，对产生的正负温度系数的电流加权求和，然后让这个电流流过电阻，产生和温度无关的基准电压，如图1所示。M1和M2，M3管的尺寸相同，R1和R2的值相等，输出的基准电压近似为
   

    只要调整R2和R3的比值，就可以控制带隙基准电压的数值，得到低于传统带隙基准电压的值。
    带隙基准电路的电源电压的最小值受到两个限制
    (1)输出基准电压的大小限制了电源电压
   
    其中，VSDati为工作在饱和区的CMOS管的源漏极电压
    (2)运放的输入电压也会限制电源电压
    如果运算放大器采用PMOS差分输入，最小电源电压
   
    在这两个因素的限制下，带隙基准电路的电源电压一般在2 V以上。本文从两个方面入手，设计了低电源电压、低输出电压、高精度带隙基准电路。

2 电流求和型带隙基准电路
    图1所示的电路解决了低基准电压源的产生问题，但对电源电压的要求仍较高。文中作了以下改进：(1)为了减少输出基准电压对电源电压的敏感度，引入了共源共栅结构，其偏置电流由与电源无关的偏置电路提供。(2)文献中没有给出具体的放大器，因此补充设计了运算放大器。(3)为了保证PNP管正常工作，图1中运放输入端Va、Vb点的电压大约在700 mV，这限制了电源电压的进一步降低。本文将电阻R1和R2分别分成两个电阻R11、R12和R21、R22的串联，通过电阻分压使运放的输入端Va2、Vb2的电平在250 mV左右，如图2所示。由运算放大器和MOS管组成的反馈系统可迫使Va2=Vb2，设计电阻R11=R21，R12=R22，可以保证Va1和Vb1也相等。

    M21，M22和M23管的尺寸相等，使3个支路的电流大小相等。
   
    其中，R2=R21+R22。
    通过电流镜将I21和I22之和镜像到输出端，可以推导出带隙基准电压
   
    可见，可以通过调节电阻R0、R2的大小使输出电压的温度系数为0，调节电阻R3、R2的大小可得到低于1．2 V的带隙基准电压。

3 低压带隙基准电路的设计
3．1 运算放大器
    采用二级运放，第一级提供高增益，第二级提供大的摆幅。如图3所示。由于运算放大器的输入电压较低，约在250 mV，因此第一级运放采用PMOS管作为差分输入。负载采用二极管连接器件，为提高对电源电压的抑制，采用和电源无关的偏置电路。第二级运放采用简单的共源级结构，以提供最大的输出摆幅，采用电流镜作为有源负载以实现单端输出。

    运算放大器的最低工作电压为
   
    PMOS管的阈值电压在约为0．5 V，运算放大器的输入在0．2～0．3 V，预留0．1 V的PMOS管过驱动电压，可初步推算出运放的最低电源电压在1 V左右。
3．2 偏置电路
    为提高带隙基准电路对电源电压变化的抑制，偏置电路采用和电源无关的偏置。图4为设计的偏置电路。将RS接在M9的上，而不是按传统的接法，接在M9的源极和地之间，这样在一定程度上减小了M9的体效应。另外，还消除RS的分压对M9的影响，使电路可以在更低的电源电压下工作。不过，RS的阻值要仔细在模拟后确定，保证M9工作在饱和区。

    可计算出，基准电流(RS的电流)为
   
    其中，M9管的宽长比为M8管的K倍，M7和M6的宽长比相等。
    图4所示的电路存在两个平衡点，即零点和正常工作点，需要启动电路如图4左边所示。假设偏置电路处于关断状态，那么M6～M9全部关断，x点为高电平，M1关断，M4关断。故M2虽然栅极接地，但是漏电流很小，M2的漏源极电压差很小，故y点的电压足够高，使M5开启，x点的电压逐渐降低，电路启动。然后，M1导通，继而M3和M4导通，y点的电压逐渐降低，最终使M5关断。

3．3 部分关键参数的设计
    在室温下，设计双极型晶体管的面积比n=8，计算出电压的温度系数
   
   
    为保证式(8)的温度系数为0，那么，为了降低运算放大器的输入R21和R22的电阻比值设定为1．5，为保证输出约在0．9 V，电阻R3和R2的比值为，经Hspice模拟，设计的电路参数为R21=120 kΩ，R22=80 kΩ，R0=20 kΩ，R3=150 kΩ。

4 模拟结果
    基于UMC 0．25μm CMOS工艺，采用Hspice对设计的电路进行仿真验证。图5为电源电压为1．5 V，输出基准电压为900 mV时的输出温度特性，在-40～120℃的温度范围内，输出基准电压变化为1．3 mV，设计的电路具有较好的温度特性。

    图6为输出基准电压随电源电压的变化，当电源电压下降到1 V时，输出基准电压迅速下降，电源电压在1．1～3．5 V之间变化时，输出电压变化约为2 mV，电路的输出电压随电源电压的变化小。
    设计的基准电压源主要性能参数，如表1所示。

5 结束语
    在传统CMOS带隙基准源的基础上，本文采用0．25μmCMOS工艺，运用正负温度系数电流求和的原理，设计了0．9 V带隙基准电压源，电源电压可以降低至1．1 V，温度系数为8．1×10-6／℃，而且基准电压的输出可以根据需要进行调节，仿真结果表明了设计的正确性，加上输出缓冲器，该电路可以集成到芯片内部作为其内置基准源。