0 引言
基準(zhǔn)電壓源廣泛應(yīng)用于電源調(diào)節(jié)器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及各種測量設(shè)備中。近年來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，低壓低功耗已成為當(dāng)今電路設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。比如，在一些使用電池的系統(tǒng)中，要求電源電壓在3 V以下。因此，作為電源調(diào)節(jié)器、A／D和D／A轉(zhuǎn)換器等電路核心功能模塊之一的電壓基準(zhǔn)源，必然要求在低電源電壓下工作。
在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)中，輸出電壓常在1．25 V左右，這就限制了最小電源電壓。另一方面，共集電極的寄生BJT和運(yùn)算放大器的共模輸入電壓，也限制了PTAT電流生成環(huán)路的低壓設(shè)計(jì)。近年來，一些文獻(xiàn)力圖解決這方面的問題。歸納起來，前一問題可以通過合適的電阻分壓來實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)問題可以通過BiCMOS工藝來實(shí)現(xiàn)，或通過低閾值電壓的MOS器件來實(shí)現(xiàn)，但工藝上的難度以及設(shè)計(jì)成本將上升。
基于上面的考慮，本文首先對傳統(tǒng)的帶隙電壓源原理進(jìn)行分析，然后提出了一種比較廉價(jià)且性能較高的低壓帶隙基準(zhǔn)電壓源，采用電流反饋、一級溫度補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)了低壓CMOS帶隙基準(zhǔn)源電路，使其電路能工作在較低的電壓下。本文介紹這種帶隙電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)原理，給出了電路的仿真結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。并基于CSMC 0．5μm Double Poly Mix Process對電路進(jìn)行了仿真，得到理想的結(jié)果。
l 低壓COMS基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)
1．1 傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源
圖1為帶隙基準(zhǔn)電壓源的原理示意圖。雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE，具有負(fù)的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)一般為-2．2 mV／K。而熱電壓VT具有正的溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)在室溫下為十0．085 V／K。將VT乘以常數(shù)K并和VBE相加就得到輸出電壓VREF：
將式(1)對溫度T微分并代入VBE和VT的溫度系數(shù)可求得K，它使VREF的溫度系數(shù)在理論上為零。VBE受電源電壓變化的影響很小，因而帶隙基準(zhǔn)電壓的輸出電壓受電源的影響也很小。
圖2是典型的CMOS帶隙電壓基準(zhǔn)源電路。兩個(gè)PNP管Q1，Q2的基極一發(fā)射極電壓差△VBE：
式中：J1和J2是流過Ql和Q2的電流密度。運(yùn)算放大器的作用使電路處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，使得節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的電壓相等。即：
由圖2可得：
通過M1和M2的鏡像作用，使得I1和I2相等，結(jié)合式(4)和式(5)可得：
式中；A1和A2是Q1和Q2的發(fā)射極面積。比較式(5)和式(1)，可得常數(shù)K為：
在實(shí)際設(shè)計(jì)中，K值即為式(7)表示。
傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)能輸出比較精確的電壓，但其電源電壓較高(大于3 V)，且基準(zhǔn)輸出范圍有限(1．2 V以上)。要在1．8 V以下的電源電壓得到1．2 V以下的精確基準(zhǔn)電壓，就必須對基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)和提高。
1．2 低壓COMS基準(zhǔn)電壓源的電路設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)基于CSMC-O．5μm-CMOS工藝(NMOS的閾值電壓為0．536 V，PMOS的閾值電壓為-0．736 V)。采用一級溫度補(bǔ)償、電流反饋技術(shù)設(shè)計(jì)的低壓帶隙基準(zhǔn)源電路如圖3所示。低壓帶隙基準(zhǔn)源的電流不僅用于提供基準(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，簡化了電路和版圖設(shè)計(jì)。
為了與CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容，電路中PNP的e，b，c區(qū)分別采用P+，N-well，P-sub集電極接地。Q2和Q1的發(fā)射極面積比為8：1，流過Q1和Q2的電流相等，這樣△VBE等于VTln 8。流過電阻R1的電流與熱力學(xué)溫度成正比。三路鏡像電流源使得流過P2，P3，P4的電流相等(I1=I2=I3)。
輸出電壓VREF為：
電路中的溫度補(bǔ)償系數(shù)K為：
通過調(diào)節(jié)R4的值，可以調(diào)節(jié)輸出電壓VREF的大小。在電源電壓變化時(shí)，P2，P3，P4的漏源電壓值保持不變，與電源電壓無關(guān)，其柵極電壓由運(yùn)放調(diào)節(jié)。為了降低電路的復(fù)雜度，應(yīng)用電流反饋原理，運(yùn)放采用簡單的一階運(yùn)放，由于VDD的變化多于GND的變化，故運(yùn)放的輸入采用NMOS的差分對結(jié)構(gòu)。因?yàn)檎麄€(gè)電路在低壓下工作，故整個(gè)電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是要保證低壓下運(yùn)放的正常工作。
由于帶隙基準(zhǔn)源存在兩個(gè)電路平衡點(diǎn)，即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn)。當(dāng)基準(zhǔn)源工作在零點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)1、2的電壓等于零，基準(zhǔn)源沒有電流產(chǎn)生。固需要設(shè)計(jì)一個(gè)啟動電路，避免基準(zhǔn)源工作在平衡零點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的啟動電路由N5、N6和P7構(gòu)成。當(dāng)電路工作在零點(diǎn)時(shí)，N6管導(dǎo)通，迅速提高節(jié)點(diǎn)1、2的電壓，產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，節(jié)點(diǎn)1的電壓通過P7和N5組成的反相器，使N6管完全截止，節(jié)點(diǎn)1、2的電壓回落在穩(wěn)定的工作點(diǎn)上，基準(zhǔn)源開始正常工作。
電路的器件參數(shù)如表1所示，P2，P3，P4管的尺寸較大，是為了降低電路中的1／f噪聲。電流鏡的負(fù)載管P5，P6和差分對管N1，N2的寬長比較大，以抑制電路的熱噪聲。由于電路中的電阻值較大，故在工藝中用阱電阻實(shí)現(xiàn)。電容C0有助于電路的穩(wěn)定，同時(shí)還可以減小于運(yùn)放的寬度，有助于降低噪聲的影響。
2 仿真與結(jié)果分析
在Cadence設(shè)計(jì)平臺下的Spectre仿真器中基于CSMC 0．5 μm CMOS工藝模型對電路進(jìn)行了仿真。得到電路的溫度特性曲線、直流電源抑制特性曲線、交流PSRR特性曲線、啟動時(shí)間曲線如圖4所示。各項(xiàng)仿真結(jié)果參數(shù)如表2所示。
3 結(jié)語
在應(yīng)用典型CMOS電壓基準(zhǔn)源的基礎(chǔ)上，綜合一級溫度補(bǔ)償、電流補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計(jì)了帶隙電壓基準(zhǔn)源電路。該帶隙基準(zhǔn)源電路的電源工作范圍為1．6～4 V，工作溫度為-10～+130℃，基準(zhǔn)輸出電壓VREF為(650．5±0．5)mV，溫度系數(shù)可低至2．0 ppm／℃，電源抑制比為-70 dB。仿真結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的正確性。