一種低溫漂輸出可調(diào)帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計
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2 CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源電路結(jié)構(gòu)
本設(shè)計是在SMIC 0.25μm CMOS工藝基礎(chǔ)上完成的，設(shè)計中采用了一級溫度補償、電流反饋等技術(shù)。其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示(不考慮虛線框R5部分)。
BGR核心電路中，晶體管Q1、Q2為使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造的二極管連接形式的PNP縱向三極管(BJT)。Q2和Q1的發(fā)射極面積的比為N，流過Q1和Q2的電流相等，這樣△VBE就等于VTln(N)。流過電阻R1的電流I4是與熱力學(xué)溫度成正比的。流過M2、M3、M4的電流相等(I1=I2=I3)，所以
參考電壓Vref為：
通過調(diào)節(jié)R3與R1的比值和Q2與Q1發(fā)射極面積的比值，可以使輸出電壓參考在室溫下的溫度系數(shù)為0。
本設(shè)計還具有輸出可調(diào)的特點，設(shè)計中采用文獻[2]提到的在運算放大器兩輸入端與地之間加電阻的方法。由式(9)可看出，在調(diào)節(jié)了k值
后，可以方便地調(diào)節(jié)R4的值來調(diào)節(jié)參考電壓的輸出大小，正是由于運算放大器兩輸入端的接地電阻R2、R3的增加，使得總的鏡像電流通過電阻R4后可以方便地改變輸出大小，相比文獻[3]中的二次分壓結(jié)構(gòu)更簡單，更節(jié)省面積。
該帶隙基準(zhǔn)源的電流源不僅用于提供基準(zhǔn)輸出所需的電流，也用于產(chǎn)生差分放大器所需的電流源偏置電壓，大大簡化了電路的版圖。設(shè)計中采用了高增益NMOS差分對運算放大器，根據(jù)文獻[4]，實驗仿真結(jié)果顯示，對于電源電壓的直流變化，低電源抑制比的運算放大器也能實現(xiàn)電壓跟隨，Vref輸出穩(wěn)定。而在電源電壓有交流干擾、特別是信號頻率較高(>30 MHz)時，Vref輸出端也有同頻的交流信號，幅度近似于電源干擾信號的幅度，這時Vref已不能認為是恒定的輸出。原因是運算放大器輸出信號與電源信號之間存在明顯的相位差。解決的方法有兩種：第1種是提高運算放大器的單位增益帶寬；第2種是降低運算放大器本身的PSRR(電源抑制比)。第1種方法會增大電路消耗的功率，對于第2種方法，我們采用低PSRR(電源抑制比)的運算放大器就可以實現(xiàn)，相比于文獻[5]中使用的PMOS差分對運算放大器，我們采用相對較低PSRR的NMOS差分對運算放大器。
本設(shè)計中還增加了帶隙基準(zhǔn)源的啟動電路，因為帶隙基準(zhǔn)源存在兩個電路平衡點，即零點和正常工作點，當(dāng)電路處在零點時，整個電路中沒有電流流過，電路不能正常工作。啟動電路應(yīng)滿足兩個方面的要求：一是確?？傆须娏髁鬟^參考源中的晶體管，使得零狀態(tài)處的環(huán)路增益大于1，避免陷入零狀態(tài)；二是參考源啟動后，啟動電路不應(yīng)干擾參考源的正常工作。當(dāng)基準(zhǔn)源工作在零點時，節(jié)點N1、N2的電壓等于0，基準(zhǔn)源沒有電流產(chǎn)生。啟動電路的目的就是為了避免基準(zhǔn)源工作在不必要的零點上。本文設(shè)計了圖3中所示的啟動電路，電路由M11、M12和M13構(gòu)成。當(dāng)電路工作在零點時，N2點電壓為0，M13管導(dǎo)通，迅速提高節(jié)點N1、N2的電壓，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流；這時節(jié)點N1的電壓通過M11和M12組成的反相器，使M13管完全截止，節(jié)點N1、N2的電壓回落在穩(wěn)定的工作點上，基準(zhǔn)源開始正常工作而啟動電路中沒有電流流過。
3 電路模擬和仿真結(jié)果
基于0.25μm BSIM3V3.2工藝模型，用cadence的spectre仿真工具對高精度輸出可調(diào)帶隙基準(zhǔn)電壓源電路進行了溫度掃描和電源抑制比的模擬仿真。溫度范圍為-20℃～70 ℃，電源電壓范圍為2 V～3 V。在SMIC 0.25μm BSIM3V3.2工藝tt模型下的仿真所得結(jié)果為：輸出Vref為1.012 V左右時，溫度系數(shù)可達4.8×10-6／℃(如圖4(a)所示)，PSRR可達54 dB(如圖4(b)所示)；輸出Vref1為453.7 mV左右時，溫度系數(shù)可達4.4×10-6／℃(如圖5(a)所示)，PSRR為42 dB(如圖5(b)所示)。
4 結(jié)束語
本設(shè)計是在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源理論的基礎(chǔ)上，對電路進行改進而得到的高精度、輸出可調(diào)的基準(zhǔn)電壓源，在設(shè)計中采用了一級溫度補償、電流反饋等技術(shù)，并在電路中增加了啟動電路。仿真結(jié)果顯示該設(shè)計溫度系數(shù)高，可輸出不同范圍穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，達到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。
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