一种低温漂低功耗的简易带隙基准电压设计

模拟电路设计常常用到电压基准和电流基准。这些基准受电源、温度或者工艺参数的影响很小，为电路提供一个相对稳定的参考电压或者电流，从而保证整个模拟电路稳定工作。目前已经出现的高性能带隙基准，能够实现高精度、低温漂和低功耗，但这些电路中一般都有运放，调试难度较大；电路结构复杂，原理不便理解。在一般的应用中，如果对带隙基准电压的要求不是特别高的情况下，完全可以采用一种更为简洁的电路结构。因此，这里介绍一种简易可行的带隙基准电压的设计，利用PTAT电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度无关的基准电压。

1 低温漂低功耗带隙基准电压设计

带隙基准电压的设计目标，就是建立一个与电源和温度无关的直流电压VREF。进一步将该目标分为2个设计问题：设计与电源无关的偏置，获取能抵消温度影响的电压值。图1为其整体设计框图。



1．1 与电源无关的偏置

首先设计与电源无关的偏置。考虑采用2个NMOS管和电阻做近似的电流镜做偏置，并充分利用电流镜的“电流复制”特点，设计一个简单的电流产生电路，如图2所示。在这个电路中，因为栅漏短接的MOS管都是由一个电流源驱动，所以I0和I1几乎与电源电压无关。同时，2条支路的电流关系是确定的，只要已知I0，便可由宽长比得到左边支路电流的大小。忽略沟道长度调制效应的影响，支路电流的比值和MOS管宽长比的比值成正比。为了唯一确定电流，加入电阻R1。则有：VGS1=VGS2+I0R1，忽略体效应，有：



由式(1)可见，输出电流与电源电压无关，但仍与工艺和温度有关。



1．2 与温度无关的基准
带隙基准的核心，就是将有着正负相反温度系数的电压以适当的系数加权，得到零温度系数的电压量。本设计中用到的负温度系数电压，是PN结的正向电压，也就是BJT的发射结正偏电压。双极型晶体管的集电极电流和基极发射极电压的关系：



式中，Is是双极型晶体管的饱和电流，Eg是硅的禁带宽度。当VBE≈0．75 v，T=300 K时，

。注意，该温度系数本身与温度有关，可能会引起误差。
相同的双极型晶体管在不等的电流密度下工作，它们的基极发射极电压差值与绝对温度成正比，利用这个关系，建立一个带正温度系数电压。假设BJT的饱和电流，Is1=Is2=Is，集电极电流分别为nI0和I0，那么：



根据以上分析，完全可以利用这2种带有相反温度系数的电压设计一个零温度系数的电压基准。假设

，已知

，取α=1，则只需βlnn≈17．2，即可满足

，实现了零温度系数基准电压VREF。
1．3 参数确定
电路整体设计如图3所示。



其输出电压的表达式：



式中，n是VQ1的BJT并联数，m是流经R2和R1的电流比值，等于Vp3和Vp1的宽长比。

在调试电路时应该注意，Vp1、Vp2、VN1、VN2和电阻组成提供偏置的电流源，因此Vp1和Vp2、VN1和VN2应该尽量匹配，对称设计，且管子尺寸稍大。同时，使VN1和VN2的源极电压值尽可能相等。

在原理设计中，多次进行理性化估计，实际测试中存在的误差在所难免。为了达到最优效果，必须在测试中不断修正电路参数，然后再做测试。同时也应意识到，任何一个电路的各个指标都是相互影响相互制约的，应根据需要调整，以保证整体设计效果。

2 仿真结果

采用0．35μm BiCMOS工艺模型对电路进行仿真，输出电压随温度变化曲线如图4所示。当电压提供5 V供电，温度从O～70℃变化时，电压始终在1．135 32～1．136 56 V范围内变化，测得温漂系数为16．4 ppm／℃。当电源电压从5～6 V变化时，输出电压变化量为1．3 mV，电源抑制比达57．7 dB。噪声分析如图5所示，用软件对曲线进行积分，可得到电路总的输出噪声为140．3μV。同时，电路总电流控制在60μA左右，功耗为300．6 μW。



3 结束语

介绍了一种结构简易，原理清晰的带隙基准电压源的设计过程。采用不受电源影响的串联电流镜做偏置，利用PTAT电压和基极发射极电压的相反温度系数特性构造输出电压。0～70"C范围内，温漂系数为16．4 ppm／℃。供电从5～6 V变化时，电源抑制比达57．7 dB。总输出噪声为140．3μV，功耗为300．6μW。参数达到预定目标，能基本满足要求。该带隙基准电压电路简单，主要部分只用5个MOS管、3个BJT和2只电阻，避开了通用的带运放设计，大大简化调试难度，而且设计思路简洁明了，便于入门级人员短时间内掌握。