一种带隙基准电压源设计

摘要：基准电压源是在电路系统中为其它功能模块提供高精度的电压基准，它是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块。文中主要研究了带隙基准基本原理的基础上，设计了一款应用于折叠插值ADC中粗量化电路部分CMOS带隙基准源。最后通过Pspice仿真给出了实验仿真的结果。
关键词：带隙基准；频率补偿；温度系数；Pspice

理想情况下的基准电流、电压与电源和温度变化是不相关的。在实际的模拟电路中，许多应用都要求提供稳定的电流、电压模块。所以也要求这些值更加精准。特别是与温度关系很小的电压、电流基准在许多电路应用中是必不可少的，因为大多数工艺参数是随着温度变化的，文中对折叠插值型ADC系统中的基准源单元展开了专门的研究，通过Pspice仿真，设计一款基于带隙电压参考源。

1 基本原理
1．1 负温度系数电压
双极晶体管的基极-发射极电压，具有负的温度系数。对于一个双极性器件，首先根据容易得到的量来推出温度系数的表达式。对于一个双极型器件，可以写出：


从上式中可以看出：在给定温度T下基极-发射极电压的温度系数与VBE本身的大小有关。当VBE≈750 mV，T=300℃。
1．2 正温度系数电压
VBE的温度系数本身与温度有关，如果正温度系数的量表现出一个固定的温度系数，那么在恒定基准的产生电路中就会产生误差。正温度系数电压是由两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的偏差就与绝对温度成正比。如图1所示，如果两个同样的晶体管偏置的集电极电流分别为nIo和Io，并忽略基极电流，那么

这样，VBE的差值就表现出正温度系数：

这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关

利用上面得到的正负温度系数的电压，设计属一个零温度系数的基准。


2 电路设计
这里运算放大器的主要作用：
1)确保两个双极型晶体管的发射极电位相等；
2)为两个负载PNP管提供的偏置。
带隙电路中的放大器需要较大的增益，以保证运放的两个输入端相等。本文所设计的放大器采用两级的形式，因为工作在直流状态下，所以不需要很大的带宽。如图2所示放大器电路图。

在图2中，该运算放大器有A、B 2个主要极点。
1)A处的小信号电阻很高，与之相连的3个晶体管的电容将产生一个靠近原点的极点。
2)B处的负载电容也可能很大，也会产生一个靠近原点的极点。
这里采用米勒补偿技术在A、B间连接一个大电容Cc使主极点A移向原点，B原理原点。然而这个电容同时引入了一个零点，对于电路的稳定性带来了一定的问题。在引入Cc之前，此零点的频率可表示成，

为了使主极点处在适当的位置，Cc要选得足够大。这样，这个零点被推向靠近原点方向，大大降低了电路的稳定性。为了消除这个零点，增加了一个与补偿电容联的调零电阻Rz。


3 仿真结果
经仿真TT情况下增益为80 dB，3 dB带宽为1 k，PSRR为-90 dB左右，摆率为0．007 5 V／ns，仿真结果如图3、图4、图5所示。在典型工艺下的仿真结果如表1所示。

在电压变化的线性区取2个点，计算出斜率，这个斜率就是压摆率。

4 结论
随着混合集成电路的高速发展，ADC系统精度与速度不断提高，从而对ADC系统提出了更高的要求。文中折叠插至ADC系统中的基准源单元展开了专门的研究并开发出了相应的电路结构。文中设计的带隙基准电压源采用了目前较为流行的带隙基准电路结构，其制作工艺与目前的CMOS工艺完全兼容。
最后仿真结果表明：运算放大器的增益达到80 dB，相位裕度为45 deg，PSRR达到了-90 dB，压摆率为0．007 5 V／ns，Corner的结果变化不大，完全达到或超过了该带隙基准源对于运算放大器的参数要求。