低成本多路输出CMOS带隙基准电压源设计

摘要：在传统Brokaw带隙基准源的基础上，提出一种采用自偏置结构和共源共栅电流镜的低成本多路基准电压输出的CMOS带隙基准源结构，省去了一个放大器，并减小了所需的电阻阻值，大大降低了成本，减小了功耗和噪声。该设计基于华虹1μm的CMOS工艺，进行了设计与仿真实现。Cadence仿真结果表明，在-40～140℃的温度范围内，温度系数为23．6 ppm／℃，静态电流为24μA，并且能够产生精确的3 V．2 V，1 V和0．1 5 V基准电压，启动速度快，能够满足大多数开关电源的设计需求与应用。
关键词：带隙基准源；多路基准电压输出；温度系数；Cadence

0 引言
带隙基准电压源通常是模拟和混合信号处理系统中重要的组成模块，它用来提供高稳定的参考电压，对系统的性能起着至关重要的作用。带隙基准广泛地应用于ADC，DAC、线性稳压器、开关电源、温度传感器和网络通信等各种电路中。衡量带隙基准源性能的重要指标有低温度系数、低线性调整率、低电源电压、低成本、低功耗和高电源抑制比。
文献采用的是衬底PNP的CMOS工艺带隙结构，并且提出一种采用一阶温度补偿和电阻二次分压设计的带隙基准，在10～60℃范围内，温度系数为25×10-6℃-1；文献使用了二阶曲率补偿技术，增加了2个电阻，获得了好的温度系数，但是增加的电阻会引入更多的输出噪声；文献提出了一种指数曲率补偿技术，将温度系数减小至8．9×10-6℃-1，但是这种结构比较复杂且不易实现；文献提出了一种分段线性补偿技术，将温度系数减小到了2×10-6℃-1，但是增加了多个电阻和放大器，增加了设计的复杂度和功耗。
本文在对传统的Brokaw带隙基准源进行分析和总结的基础上，针对AC／DC开关电源芯片的应用需求，设计了一款应用于开关电源的低成本、多输出的CMOS带隙基准源。

1 带隙基准电压源的基本原理
带隙基准源的基本原理是根据硅材料的带隙电压与温度无关的特性，利用△VBE的正温度系数与双极晶体管VBE的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压：
Vref=VBE+α△VBE=VBE+αVTlnN
式中：N为两个晶体管发射极的面积比；α为常数；VT=kT／q为热电压，k是波尔兹曼常数，q是单位电荷量，T为绝对温度。令K=αln，则：
Vref=VBE+KVT (1)
传统的Brokaw带隙电压基准电路如图1所示。

在图1中，根据运放“虚短”的原理，有VA=VB，由于R3=R4，可得I1=I2，则I0=一2I1。
△VBE=VBE2-VBE1=VTlnN=I1R1 (2)
式中N为Q1与Q2发射极面积之比。

令K=(2R0ln N)／R1，则可发现式(3)与式(1)相等。如果N值一定，则可通过选取适当的R0与R1的比值，获得合适的K值，就可使温度系数为零，从而得到不随温度变化的基准电压。
由于传统的Brokaw带隙基准使用了放大器，电路结构较复杂，且R0的值较大，会产生更多的输出噪声，同时电阻R3和R4也会增加版图的设计难度。

2 低成本多路输出带隙基准源结构
本文所设计的带隙基准源框图如图2所示，其核心电路是在传统的Brokaw带隙基准结构基础上，综合考虑了电路性能和针对开关电源的应用需求，用简单的电路形式实现。多路输出基准电压电路采用带负反馈的运放实现，通过电阻串分压得到多路输出。

2．1 带隙基准电压源的核心电路
本文所设计的Brokaw带隙基准电压源核心电路如图3虚线右侧所示，是在传统的Brokaw带隙基准源的基础上采用自偏置结构和共源共栅电流镜，这种改进可以精确地保证I2=2I1，同时可以使电阻R0的值比传统结构中的更小(本文中R0的值为传统结构的2／3)，小的R0值能够减小输出电压的噪声。而且这种结构省去了放大器，并且直接在产生PTAT电流的支路上生成带隙基准电压，这样不仅可使电路结构简化，降低成本，而且减小了所需的静态功耗。由于使用共源共栅电流镜代替了两个电阻，使得版图易于实现。
在图3中，可看到：
VBE2=VBE1+I1R1 (4)
VBE=VTln(I／Is) (5)
式中：I为流过晶体管的电流；Is为晶体管的饱和电流。

由于M3的宽长比为M1的2倍，因此I2=2I1，而I0=3I1；又由于Is正比于晶体管发射极面积，而Q1与Q2发射极面积之比为4：1，则Is1=4Is2，因此：

式(9)中的第一项VBE2具有负温度系数，而第二项具有正温度系数，只要选择合适的工作点，就可使两项之和在某一温度下为零，从而得到具有较好温度特性的基准电压。[p]
2．2 启动电路
由于本文所设计的带隙基准源采用的是自偏置结构，因此需要增加启动电路使带隙主电路摆脱简并偏置点。图3虚线右侧所示，电路未启动时，N1和N2始终保持高电位，输出则保持在零状态，并且一直处于这种状态。启动电路的作用就是使电路摆脱这种零状态，进入正常工作状态。

本文所设计的启动电路如图3虚线左侧所示，在电路启动时，N3变为高电位使M21导通，则N1变为低电位使M15导通，并且带隙主电路开始工作，启动完成。由于M16为二极管接法，所以M16支路导通，并且M22与其所在支路也导通了，此时M22的导通将N3拉到较低电位，使M21截止，并且由于M22所在支路的导通，会使M21一直保持截止状态，启动电路停止工作，降低了功耗。
2．3 多路基准电压输出的设计
多路输出电路如图4所示，整个电路相当于一个带负反馈的多输出放大器，可以得到稳定的3 V，2 V，1 V和0．15 V基准电压。由于Vref为1．14 V，利用运放的“虚短”可得到Vref1，Vref2，Vref3和Vref4的值，其中Vref2计算式为：

[p]