一種高精度低電源電壓帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)

輸出不隨溫度、電源電壓變化的基準(zhǔn)電壓源，在模擬和混合集成電路中應(yīng)用廣泛，特別是在高精度的場合，基準(zhǔn)電壓源是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。
由于帶隙基準(zhǔn)電壓源具有較低的溫度系數(shù)和高電源電壓抑制比，以及能與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)，因而成為常用的基準(zhǔn)電壓源實(shí)現(xiàn)方式。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了具有溫度補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路，但其電源電壓和溫度系數(shù)過高，且輸出電壓約在1．25 V，難以滿足低壓的要求。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)了低電源電壓帶隙基準(zhǔn)電路，但輸出基準(zhǔn)電壓過高。文獻(xiàn)提出了解決方法，設(shè)計(jì)了低壓帶隙基準(zhǔn)源，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
文在分析幾種基準(zhǔn)源的基礎(chǔ)上，采用0．25 μmCMOS工藝設(shè)計(jì)了一種低電源電壓、低輸出電壓、高電源電壓抑制比、高精度的帶隙基準(zhǔn)源，經(jīng)Hspice仿真表明設(shè)計(jì)的電路具有良好的性能。

1 Baftda提出的低壓帶隙基準(zhǔn)電路
統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路的原理是將兩個具有相反溫度系數(shù)的電壓以適當(dāng)?shù)臋?quán)重相加，基準(zhǔn)電壓的典型值約為1．2 V。Banda提出了電流求和型帶隙基準(zhǔn)電路，對產(chǎn)生的正負(fù)溫度系數(shù)的電流加權(quán)求和，然后讓這個電流流過電阻，產(chǎn)生和溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，如圖1所示。M1和M2，M3管的尺寸相同，R1和R2的值相等，輸出的基準(zhǔn)電壓近似為

只要調(diào)整R2和R3的比值，就可以控制帶隙基準(zhǔn)電壓的數(shù)值，得到低于傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓的值。
帶隙基準(zhǔn)電路的電源電壓的最小值受到兩個限制
(1)輸出基準(zhǔn)電壓的大小限制了電源電壓

其中，VSDati為工作在飽和區(qū)的CMOS管的源漏極電壓
(2)運(yùn)放的輸入電壓也會限制電源電壓
如果運(yùn)算放大器采用PMOS差分輸入，最小電源電壓

在這兩個因素的限制下，帶隙基準(zhǔn)電路的電源電壓一般在2 V以上。本文從兩個方面入手，設(shè)計(jì)了低電源電壓、低輸出電壓、高精度帶隙基準(zhǔn)電路。

2 電流求和型帶隙基準(zhǔn)電路
圖1所示的電路解決了低基準(zhǔn)電壓源的產(chǎn)生問題，但對電源電壓的要求仍較高。文中作了以下改進(jìn)：(1)為了減少輸出基準(zhǔn)電壓對電源電壓的敏感度，引入了共源共柵結(jié)構(gòu)，其偏置電流由與電源無關(guān)的偏置電路提供。(2)文獻(xiàn)中沒有給出具體的放大器，因此補(bǔ)充設(shè)計(jì)了運(yùn)算放大器。(3)為了保證PNP管正常工作，圖1中運(yùn)放輸入端Va、Vb點(diǎn)的電壓大約在700 mV，這限制了電源電壓的進(jìn)一步降低。本文將電阻R1和R2分別分成兩個電阻R11、R12和R21、R22的串聯(lián)，通過電阻分壓使運(yùn)放的輸入端Va2、Vb2的電平在250 mV左右，如圖2所示。由運(yùn)算放大器和MOS管組成的反饋系統(tǒng)可迫使Va2=Vb2，設(shè)計(jì)電阻R11=R21，R12=R22，可以保證Va1和Vb1也相等。

M21，M22和M23管的尺寸相等，使3個支路的電流大小相等。

其中，R2=R21+R22。
通過電流鏡將I21和I22之和鏡像到輸出端，可以推導(dǎo)出帶隙基準(zhǔn)電壓

可見，可以通過調(diào)節(jié)電阻R0、R2的大小使輸出電壓的溫度系數(shù)為0，調(diào)節(jié)電阻R3、R2的大小可得到低于1．2 V的帶隙基準(zhǔn)電壓。