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0.18 μm CMOS帶隙基準電壓源的設計
來源：電子技術(shù)應用2011年第3期
陳雙文，劉章發(fā)
北京交通大學 電子信息工程學院，北京100044
摘要： 基準電壓源可廣泛應用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、隨機動態(tài)存儲器、閃存以及系統(tǒng)集成芯片中。使用0.18 μm CMOS工藝設計了具有高穩(wěn)定度、低溫漂、低輸出電壓為0.6 V的CMOS基準電壓源。
中圖分類號： TN432
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)03-0051-03
Design of 0.18 μm CMOS bandgap reference voltage source
Chen Shuangwen，Liu Zhangfa
School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044，China
Abstract： Reference voltage source can be used broadly in ADC, DAC, RAM, flash memory and other integrated circuit. This paper designed a high stability, low temperature coefficient and 0.6 V output bandgap reference voltage source using 0.18 μm CMOS.
Key words : bandgap reference；0.18 ?滋m CMOS；temperature coefficient


    本文提出了一種基于0.18 μm標準CMOS工藝的高性能帶隙基準電壓源的設計方法，輸出基準電壓0.6 V，輸入電壓范圍為1.5 V～3 V，溫度系數(shù)" title="溫度系數(shù)" target="_blank">溫度系數(shù)僅為5 ppm/℃，功耗為80 ?滋W.
1 帶隙基準技術(shù)基本原理
    基準電壓源已成為大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和幾乎所有數(shù)字模擬系統(tǒng)中不可缺少的基本電路模塊。基準電壓源可廣泛應用于高精度比較器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、隨機動態(tài)存儲器、閃存以及系統(tǒng)集成芯片中。帶隙基準電壓源受電源電壓變化的影響很小，它具備了高穩(wěn)定度、低溫漂、低噪聲的主要優(yōu)點。

其中，VT具有正溫度系數(shù)，VBE1具有負溫度系數(shù)，則輸出VRef的溫度系數(shù)可以調(diào)整到接近零。
2 帶隙基準源設計電路
    為了得到較低的輸出電壓，在兩個晶體管支路上分別并聯(lián)一個電阻，根據(jù)此原理，設計電路圖[3]如圖2所示。

    三個PMOS管為同樣寬長的MOS管，均處于飽和工作狀態(tài)，根據(jù)鏡像原理有：

    由式(7)可以看出，調(diào)節(jié)R2/R1與R2/R0的值，就可以得到零溫度系數(shù)的電壓輸出值。雖然電阻本身也具有溫度系數(shù)，但在此電路中，輸出電壓只與電阻之間的比值有關(guān)，所以電阻的溫度系數(shù)對輸出的影響很小。
3 運算放大器的設計
    以上推理僅適用于運算放大器工作在理想狀態(tài)的情況，圖2電路的最主要部分就是運算放大器，運算效果的優(yōu)劣決定著此基準電壓源的效果。根據(jù)電路的需求，設計的運放有較高的放大倍數(shù)、較低的功耗、較低的噪聲，所以選用普通的兩級運放即可，電路圖如圖3所示。

    圖3中PM0和PM1作為鏡像電流源，將偏置電流4 μA鏡像給放大器使用，PM3與PM4作為運放的輸入端，比使用NMOS差分對得到更大的輸入范圍，兩級的級聯(lián)運放需要加入相位補償電路（圖3電路中串聯(lián)的電阻R和電容C支路[4]），仿真后的幅頻響應如圖4所示。

    從圖4可以看到運算放大器的幅頻響應，相位裕度為46°，低頻段增益達105 db。
4 整體電路
    為了使電路能夠正常的工作，加入啟動電路，整體電路如圖5所示。

5 仿真結(jié)果
    依照圖5，在Cadence中使用SMIC 0.18 μm工藝庫搭建電路，進行仿真。電路的啟動時間及輸出電壓如圖6所示。
    可以看到，輸出的基準電壓穩(wěn)定后在600.19 mV，啟動時，有微小的變化，并且在極短的時間內(nèi)穩(wěn)定下來。
    仿真基準電壓源的溫度系數(shù)和在電源電壓變化時的穩(wěn)定性如圖7所示。

    在圖7中，可以看到溫度從0 ℃～100 ℃變化時，基準電壓從600.19 mV增大至600.44 mV，后逐漸變小至600.14 mV，溫度系數(shù)為5 ppm/℃。
    仿真圖5中電源電壓變化對輸出基準電壓的影響，得到結(jié)果如圖8所示。
    從圖8中可以看到，電源電壓從0 V增大到5 V，在電源電壓為1.1 V時，輸出的基準電壓已經(jīng)達到600 mV，而在當電源電壓繼續(xù)增大時，輸出的基準電壓基本保持不變。
    本文使用SMIC0.18μm工藝設計實現(xiàn)了一個0.6 V的帶隙基準電壓源，并且功耗較小，適用于各種便攜式電路設計中基準源的需要，仿真結(jié)果證明了該電路良好的性能。
參考文獻
[1] ROBERT P.The design of Band-Gap reference circuits：Trials and Tribulations[C].IEEE 1990 Bipolar Circuits and Technology Meeting，1990：214-218.
[2] ROBERT P.The design of Band-Gap reference circuits：Trials and Tribulations[C].IEEE 1990 Bipolar Circuits and  Technology Meeting，1990：214-218.
[3] RAZAVI B.Design of CMOS integrated circuits：317-32.西安交通大學大學出版社.2002，12.
[4] JACOB R，HARRY B，ADVID W I，et al.CMOS circuit design，Layout，and Simulation：485-489.機械工業(yè)出版社.2006，1

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