一款新颖的带隙基准电压源设计

    电压基准是芯片设计中一个至关重要的组成单元，它直接影响着整个电子产品的性能。高精度是当今集成电路发展的特点之一，随着集成电路以摩尔定律的发展，人们对电路指标的要求也日趋提高。因此，高精度、高性能的基准源对于集成电路芯片是必不可少的。本文设计了一款高性能的基准电路，具有较小的温度系数，同时在2．3～6．5V的电源电压范围内具有较低的功耗和较高的电源电压抑制特性，适用于各类对精度要求较高且功耗低的集成电路芯片。

    1 基准工作的基本原理

    图1为典型的与温度无关的带隙基准电路架构图。它的原理就是利用三极管基极-发射极电压△VBE的负温度系数和两个三极管基极-发射极电压差值△VBE的正温度系数相抵消来产生零温度系数的基准电压。如图1所示，图中Mp1、Mp2为LDMOS管，VDD的大部分压降均落在Mp1、Mp2上，因此该电路可以承受较高的电源电压。若忽略三极管的基极电流，则有
   

    由式(1)～式(6)式可以得到
   
    其中，N=IS1／IS2为QN1和QN2的发射极面积之比。VBE2的温度系数为-1．5 mV／℃，VT的温度系数为+0．086 mV／℃，所以选择适当的N值和R2／R1的比值，就可以得到零温度系数的输出电压。另外，调节R4和R5的比值，可以得到期望的基准电压，且不会改变已调整好的零温度系数特性。

2 新颖的带隙基准电路
    如图2即为所提出的基准电压电路。该电路由偏置、运算放大器、基准核心和基准启动4个部分构成。核心电路的原理如前文所述，下面对运放、启动作具体阐述。

    该电路的运放如图2所示，运放的主要作用是保证△VBE的精准性。然而运放的失调是一个主要的误差源。假设输入端的失调电压为VOS，经过计算可以得到
   
    这里的关键问题是失调电压被放大了(1+R2／R3)倍，在VREF中引入了误差。更重要的是VOS本身随温度变化，更增大了输出电压的温度系数。因此要尽量减少失调电压。而引起失调的因素有很多，如电阻间的不匹配，晶体管的不匹配，运放输入级晶体管阈值电压的不匹配，以及运放的有限增益等。这里主要通过提高运放的增益和精确的版图设计来改进。如图2所示，基准中采用了多级差分结构的运放来提高其增益，增大负反馈的深度，减小失调。然而，运放级数的增多会增加电路的功耗，因此设计运放的偏置电流为与电源无关的较小量，使其工作在饱和区边缘，这也使得电路具有较宽的电源电压范围。
    PSR是表征电源抑制能力的交流小信号参数，它的定义为输入电压的变化与输出基准电压的变化之比。在低频情况下，基准的PSR和运放的增益呈成正比。因此运放的环路增益越大，输出VREF对电源VDD变化的抑制性就越强。
    而该电路的启动部分由M25，M26，M27，M28，M29和M30组成，Vb由偏置部分产生，EN为使能信号，正常工作时为低电平。当EN为低时，且Vb达到一定电平时，M30导通，M30，M27支路产生电流，使M26和M27的栅电位升高，M26便将M29的栅电位拉低，M28，M29支路产生电流，使基准部分开始工作。设计M25的宽长比远大于M26的宽长比，使得基准正常工作后M28的栅电位为高，关断M28，M29支路，启动部分与基准脱离。

3 仿真结果
    对设计的带隙基准电路进行了性能指标的仿真。使用HSPICE工具，基于Hynix 0．5μm CMOS工艺，仿真条件为25℃下全典型模型。从图6中基准的直流特性可见，电源电压在1．5～6V之间变化时，基准输出仍保持良好的稳定性；图7为基准的温度特性曲线，当温度从-40～100℃变化时，基准电压的变化仅为2．2 mV，温度系数为13．7×10-6／℃，显示了低温漂的特性；图8是基准环路稳定性的仿真曲线，基准的环路增益为110 dB，相位裕度为67°；图9是基准的电源抑制特性的仿真波形，低频时PSR为-117 dB。仿真结果都满足性能指标。

4 结束语
    本文设计了一种采用CMOS工艺的高精度低功耗带隙基准电路，电源电压的工作范围为2．3～6．5 V。当温度从-40～100℃变化时，基准电压的温度系数为13．2×10-6／℃，低频时的电源抑制能力为-117 dB。电源电压为3．3 V时的工作电流仅为3μA。仿真结果显示该电路具有良好的特性。