一種帶隙基準電壓源設(shè)計

摘要：基準電壓源是在電路系統(tǒng)中為其它功能模塊提供高精度的電壓基準，它是模擬集成電路和混合集成電路中非常重要的模塊。文中主要研究了帶隙基準基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款應(yīng)用于折疊插值A(chǔ)DC中粗量化電路部分CMOS帶隙基準源。最后通過Pspice仿真給出了實驗仿真的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：帶隙基準；頻率補償；溫度系數(shù)；Pspice

理想情況下的基準電流、電壓與電源和溫度變化是不相關(guān)的。在實際的模擬電路中，許多應(yīng)用都要求提供穩(wěn)定的電流、電壓模塊。所以也要求這些值更加精準。特別是與溫度關(guān)系很小的電壓、電流基準在許多電路應(yīng)用中是必不可少的，因為大多數(shù)工藝參數(shù)是隨著溫度變化的，文中對折疊插值型ADC系統(tǒng)中的基準源單元展開了專門的研究，通過Pspice仿真，設(shè)計一款基于帶隙電壓參考源。

1 基本原理
1．1 負溫度系數(shù)電壓
雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓，具有負的溫度系數(shù)。對于一個雙極性器件，首先根據(jù)容易得到的量來推出溫度系數(shù)的表達式。對于一個雙極型器件，可以寫出：


從上式中可以看出：在給定溫度T下基極-發(fā)射極電壓的溫度系數(shù)與VBE本身的大小有關(guān)。當VBE≈750 mV，T=300℃。
1．2 正溫度系數(shù)電壓
VBE的溫度系數(shù)本身與溫度有關(guān)，如果正溫度系數(shù)的量表現(xiàn)出一個固定的溫度系數(shù)，那么在恒定基準的產(chǎn)生電路中就會產(chǎn)生誤差。正溫度系數(shù)電壓是由兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么它們的基極-發(fā)射極電壓的偏差就與絕對溫度成正比。如圖1所示，如果兩個同樣的晶體管偏置的集電極電流分別為nIo和Io，并忽略基極電流，那么

這樣，VBE的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)：

這個溫度系數(shù)與溫度或集電極電流的特性無關(guān)

利用上面得到的正負溫度系數(shù)的電壓，設(shè)計屬一個零溫度系數(shù)的基準。


2 電路設(shè)計
這里運算放大器的主要作用：
1)確保兩個雙極型晶體管的發(fā)射極電位相等；
2)為兩個負載PNP管提供的偏置。
帶隙電路中的放大器需要較大的增益，以保證運放的兩個輸入端相等。本文所設(shè)計的放大器采用兩級的形式，因為工作在直流狀態(tài)下，所以不需要很大的帶寬。如圖2所示放大器電路圖。

在圖2中，該運算放大器有A、B 2個主要極點。
1)A處的小信號電阻很高，與之相連的3個晶體管的電容將產(chǎn)生一個靠近原點的極點。
2)B處的負載電容也可能很大，也會產(chǎn)生一個靠近原點的極點。
這里采用米勒補償技術(shù)在A、B間連接一個大電容Cc使主極點A移向原點，B原理原點。然而這個電容同時引入了一個零點，對于電路的穩(wěn)定性帶來了一定的問題。在引入Cc之前，此零點的頻率可表示成，

為了使主極點處在適當?shù)奈恢?，Cc要選得足夠大。這樣，這個零點被推向靠近原點方向，大大降低了電路的穩(wěn)定性。為了消除這個零點，增加了一個與補償電容聯(lián)的調(diào)零電阻Rz。


3 仿真結(jié)果
經(jīng)仿真TT情況下增益為80 dB，3 dB帶寬為1 k，PSRR為-90 dB左右，擺率為0．007 5 V／ns，仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。在典型工藝下的仿真結(jié)果如表1所示。

在電壓變化的線性區(qū)取2個點，計算出斜率，這個斜率就是壓擺率。

4 結(jié)論
隨著混合集成電路的高速發(fā)展，ADC系統(tǒng)精度與速度不斷提高，從而對ADC系統(tǒng)提出了更高的要求。文中折疊插至ADC系統(tǒng)中的基準源單元展開了專門的研究并開發(fā)出了相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)。文中設(shè)計的帶隙基準電壓源采用了目前較為流行的帶隙基準電路結(jié)構(gòu)，其制作工藝與目前的CMOS工藝完全兼容。
最后仿真結(jié)果表明：運算放大器的增益達到80 dB，相位裕度為45 deg，PSRR達到了-90 dB，壓擺率為0．007 5 V／ns，Corner的結(jié)果變化不大，完全達到或超過了該帶隙基準源對于運算放大器的參數(shù)要求。