一種新型高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計

2．1 帶隙核心電路
圖2中，由Mp1～Mp3，MN1，MN2，R1，R2和Q1，Q2組成的電路構(gòu)成帶隙核心電路。輸入晶體管的偏置電流由PMOS電流源提供，可通過減小其電流，而不是減小其寬長比來降低負(fù)載器件的gm，從而增加其差動放大增益。
其中Mp1，Mp2，MN1，MN2均工作在飽和狀態(tài)，Mp1，Mp2復(fù)制了Iout，從而確定了IREF。從本質(zhì)上講，IREF被“自舉”到Iout。選擇一定的MOS管尺寸，如果忽略襯底溝長長度調(diào)制效應(yīng)，則有Iout=KIREF，因為每個二極管連接的器件都是由一個電流源驅(qū)動的，故IREF和Iout與VDD無關(guān)，左右兩支路永遠(yuǎn)維持這兩個電流值。雙極晶體管Q1和Q2工作在不同的電流密度下，它們的基極與發(fā)射極間的電壓差與絕對溫度成正比。將與電源無關(guān)的偏置電路與雙極晶體管結(jié)合，得到帶隙核心電路。
假設(shè)Mp1，Mp2和MN1，MN2均為相同的對管，將PTAT電流Ip3加到基極-發(fā)射極電壓上，因此輸出電流為：

PTAT基準(zhǔn)電流IMp3PTAT(與絕對溫度成正比)通過R3產(chǎn)生輸出基準(zhǔn)電壓。
2．2 自偏置電路及反饋補(bǔ)償電路
為了提高電源電壓抑制，該設(shè)計對核心電路和運放的電源電壓進(jìn)行了調(diào)節(jié)，由MOS管的電流電壓特性可知，當(dāng)VDS≥VG-VTH時器件工作在飽和區(qū)，有：

對其求導(dǎo)得：

式中：VGS為柵源電壓；VTH為閾值電壓。
因為柵漏短接，故MN3，MN5一定處于飽和狀態(tài)，它們均可作為一個阻值由過驅(qū)動電壓控制的等效電阻，定義MN3和MN5的等效電阻分別為RN3和RN5，則可將MN3與R3視為并聯(lián)電阻Rx，如果Vout增大，則RN3減小，并聯(lián)電阻Rx減小，從而使PTAT基準(zhǔn)電流通過MN3分流一部分；同樣原理適用于MN5和MN6，達(dá)到抑制補(bǔ)償輸出電壓，使基準(zhǔn)源輸出電壓穩(wěn)定。其中Mp4和Mp5為MN3提供偏置電流，但使用這種“自偏置電路”會帶來電路的啟動問題。
2．3 啟動電路
在基準(zhǔn)源電路中需要啟動電路使得系統(tǒng)上電時電路能夠進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，而自偏置放大器電路往往也存在啟動問題。當(dāng)電路處于非工作狀況時，放大器的輸入端電壓初始值為零，而輸出電壓由于寄生電容的存在可能位于一個比較高的電勢，當(dāng)電源接通后不但放大器的偏置電路為截止?fàn)顟B(tài)，而且基準(zhǔn)源的核心電路也無法正常啟動。本文設(shè)計的啟動電路則可以同時滿足放大器和核心電路的啟動要求，它由Mp6～Mp8，MN7，MN8，R4，R5構(gòu)成。
當(dāng)電源接通后，啟動電路提供了放大器輸出端到地的通路，從而拉低了核心電路中Mp1～Mp3的柵極電勢，放大器的偏置電路開始工作，同時基準(zhǔn)源的Mp1和Mp2支路中流過的電流也隨之增大，使得放大器的輸入端電勢上升，這樣放大器進(jìn)入高增益工作區(qū)，帶動基準(zhǔn)源電路開始正常工作。
電路剛啟動時，使Mp7和Mp8飽和，保證MN8柵極有足夠高的開啟電壓，當(dāng)MN8導(dǎo)通時，一個小的導(dǎo)通電流流過運放，啟動帶隙電路。電路開啟后，虛框b部分電流鏡像電路將輸出電流進(jìn)行鏡像，給啟動電路提供偏置，偏置電流使Mp6導(dǎo)通，從而MN7的柵極電壓升高，MN7導(dǎo)通，由于MN8的電阻很大，導(dǎo)致MN7漏極電壓很低，從而關(guān)斷MN8，使啟動電路(虛框c)兩端電壓降低而停止工作。