一種帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)與仿真

摘要 設(shè)計(jì)了一款帶隙基準(zhǔn)電壓源，基于0．18μm的CMOS工藝，在Hspice下仿真，仿真結(jié)果表明，溫度在-25～80℃內(nèi)變化時(shí)，溫度系數(shù)為9．14×10-6℃；電源電壓在3～5 V之間變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓在1 250±43 mV內(nèi)變化，滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞 帶隙基準(zhǔn)；溫度系數(shù)；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)

基準(zhǔn)電源與電源本身及其工藝關(guān)系很小，而溫度特性穩(wěn)定，被廣泛使用在模擬電路之中。基準(zhǔn)電源的溫度特性和噪聲特性是決定電路精度和性能的重要因素?；鶞?zhǔn)電源的輸出電壓和(或)電流幾乎不受溫度和電源電壓的影響，是模擬集成電路中不可或缺的關(guān)鍵模塊。基準(zhǔn)電源根據(jù)輸出的類型可分為基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源?；鶞?zhǔn)電壓源主要有齊納二極管、隱埋齊納二極管和帶隙基準(zhǔn)電壓源3種，基準(zhǔn)電流源主要是簡單基準(zhǔn)電流源、閥值電壓相關(guān)電流源和帶隙基準(zhǔn)電流源。準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源兩者并不孤立，電壓基準(zhǔn)可以轉(zhuǎn)換為電流基準(zhǔn)，電流基準(zhǔn)也可以轉(zhuǎn)換為電壓基準(zhǔn)。

1 帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理
帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理是利用雙極型晶體管基區(qū)一發(fā)射區(qū)電壓VBE具有的負(fù)溫度系數(shù)，而不同電流密度偏置下的兩個(gè)基區(qū)一發(fā)射區(qū)的電壓差△VBE具有正的溫度系數(shù)的特性，將這兩個(gè)電壓線性疊加從而獲得低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源。
利用VBE的負(fù)溫度系數(shù)和△VBE的正溫度系數(shù)，就可設(shè)計(jì)出零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源。即VBEF=α1VBE+α2(VTln n)。在溫室下，，令α1=1，αln n≈17．2時(shí)，可得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)為

根據(jù)上述理論分析可得到如圖1所示的帶隙基準(zhǔn)電路架構(gòu)圖，其中在鴨管的漏極可得到與絕對(duì)溫度成正比(PTAT Proportional to Abso-lute Temperature)的電流，先進(jìn)行理論推導(dǎo)。首先輸出基準(zhǔn)電壓為

M1、M2和M3采用相同的偏置電壓，可得到相同的導(dǎo)通電流ID，放大器保證M1和M2的漏極電壓相等，得

根據(jù)上述分析可知，適當(dāng)調(diào)節(jié)晶體管的發(fā)射極面積和電阻大小，即可得到溫度系數(shù)為零的輸出基準(zhǔn)電壓。本文設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電壓源正是基于此電路構(gòu)架圖而得到的。