0 引 言
帶隙基準是所有基準電壓中最受歡迎的一種，由于其具有與電源電壓、工藝、溫度變化幾乎無關(guān)的突出優(yōu)點，所以被廣泛地應(yīng)用于高精度的比較器、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器、LDO穩(wěn)壓器以及其他許多模擬集成電路中。帶隙基準的主要作用是在集成電路中提供穩(wěn)定的參考電壓或參考電流，這就要求基準對電源電壓的變化和溫度的變化不敏感。
本文結(jié)合工程實際的要求設(shè)計了一款具有低噪聲、高精度且可快速啟動的CMOS帶隙基準源。采用UMC公司的0.6μm 2P2M標準CMOS工藝模型庫進行仿真，HSPICE的仿真結(jié)果表明該基準在溫度特性、電源抑制比、功耗和啟動時間方面有著良好的性能。
1 帶隙基準的基本原理
帶隙基準的基本原理是根據(jù)硅材料的帶隙電壓和溫度無關(guān)的特性，利用△VBE的正溫度系數(shù)與雙極型晶體管VBE的負溫度系數(shù)相互抵消，實現(xiàn)低溫漂、高精度的基準電壓[1]。雙極型晶體管提供發(fā)射極偏壓VBE；由兩個晶體管之間的△BE產(chǎn)生VT，通過電阻網(wǎng)絡(luò)將VT放大a倍；最后將兩個電壓相加，即Vref=VBE+aVT，適當選擇放大倍數(shù)a，使兩個電壓的溫度漂移相互抵消，從而可以得到在某一溫度下為零溫度系數(shù)的電壓基準[2]。
結(jié)合圖1基準的等效結(jié)構(gòu)圖來詳細推導(dǎo)此原理。
可知一般二極管上電流和電壓的關(guān)系為[3]：
式中：VT=kT/q為熱電壓；k為玻爾茲曼常數(shù)；q為電荷量。
圖1中，R1、R2、R3，以及Q1、Q2構(gòu)成帶隙電壓產(chǎn)生器，運算放大器OP和M16為反饋電路，保證A和B點電位相等。
由運算放大器的性質(zhì)可知：
式中：AE2、AE1分別是Q2和Q1管的發(fā)射區(qū)面積，它們的比值為N：1。
由于VA=VR，就有，I2R2=I1R1，代入式(3)得：
于是就有以下關(guān)系：
可得出：
從式(7)中可得到基準電壓只與PN結(jié)的正向壓降、電阻的比值以及Q2和Q1管的發(fā)射區(qū)面積的比值有關(guān)，因此在實際的工藝制作中將會有很高的精度?；鶞式⒑螅鶞孰妷号c輸入電壓無關(guān)。第1項VEB具有負溫度系數(shù)，在室溫時約為-2 mV/℃；第2項VT具有正溫度系數(shù)，在室溫時約為+0.087 mV/℃。通過設(shè)定合適的工作點，便可以使兩項之和在某一溫度下達到零溫度系數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的電壓基準。
圖1中Ib是基準提供給其他模塊的電流,與I0成比例，而I0為：
2 基準實際電路的實現(xiàn)與分析
本次設(shè)計的帶隙基準的實際電路如圖2所示。運算放大器OP的構(gòu)成如下：差分輸入級M10、M11，有源負載M17、M18，Cascode電流偏置M4、M5，M15和M16為第2級放大。
R1，、R2、R3和Q1，Q2及運算放大器構(gòu)成帶隙基準核心電路。Cascode電流鏡[4]M3、M2、M1、M6、M7、M8、M9以及M4和M5構(gòu)成整個基準模塊的偏置電流源，具有高輸出阻抗的特點，穩(wěn)定性好。M20為cas-code電流源的負載。M12、M19、M21、M23和M25是使能管，對輸入的使能信號進行邏輯反操作，從而決定電路工作與否。C1是第一級與第二級放大器之間的補償電容，保證了穩(wěn)定性；同時它還是電路軟啟動電容。
2.1 基準的使能原理
EN為高電平時，使能關(guān)斷有效。只要EN高電平時，NEN為低電平，則使能管工作，整個電路中的偏置電流源被關(guān)斷，有源負載截止而呈現(xiàn)非常高的阻抗。為了防止晶體管Q1，Q2的BE結(jié)有能量儲存，M25保證Vref完全為0，M23保證，Ib電流完全為0，電路完全關(guān)斷。EN為高電平時，使能管截止，電路正常工作。
2．2 基準的啟動原理
該電路中利用電容C1進行軟啟動[5]。系統(tǒng)剛上電，基準啟動模塊通過信號線對電容C1充電，直到C1上的電壓使M15和M16導(dǎo)通，基準模塊的電流偏置建立起來；從而使運放工作，基準開始啟動，當基準電壓達到一定值(一般為O.9 V左右)，啟動模塊被關(guān)閉，沒有電流從啟動模塊輸出，此時電容C1作為頻率補償電容；所以經(jīng)過一段時間(25μs左右)，這個閉合回路將達到穩(wěn)定，基準建立起來，最終值為1.293 V。
2．3 基準軟啟動的實現(xiàn)
基準的軟啟動的等效結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中電流源I3、，I4為電路提供較穩(wěn)定的偏置電流，帶隙電壓Vre通過非門得到Nref控制M14的工作狀態(tài)。芯片剛上電時，基準源電路沒有啟動，Vref為低電平，經(jīng)過"非"后Nref輸出高電平，M14飽和導(dǎo)通,I4給基準模塊的電容C1充電，當電容上的電壓達到0.9 V左右后，基準模塊開始工作，Vref電壓升高，達到1 V左右時Ⅳ耐變?yōu)榈碗娖?，使M14截止，停止對電容C1充電，軟啟動完成。
實際的電路圖如圖2中左半部分所示。EN是使能控制信號，控制該部分電路偏置電流的產(chǎn)生。M29、M28和R5組成峰值電流鏡，并與M35、M36構(gòu)成了帶使能控制的自偏置電路；M32、M27、M26、M13組成了一個非門，M31提供啟動電流，I4，M14作為一個開關(guān)，決定，I4是否對電容C1充電。
2．4 基準中器件參數(shù)的選取
要適當?shù)剡x取元器件參數(shù)，調(diào)節(jié)出合適的工作點，實現(xiàn)25℃時零溫度系數(shù)的1.293 V帶隙基準，而且要求低靜態(tài)電流。
由式(7)知，當工藝確定后，微電流工作狀態(tài)下，VEB及其溫度系數(shù)可以確定[6]；N一般選取4、6、8、10，但是從版圖布局來考慮，N=8最理想，如果要減小版圖面積，也可考慮N=4。
下面推導(dǎo)電阻R1、R2、R3的取法。為了滿足零溫度系數(shù)，對等式(7)兩邊求導(dǎo)，考慮了VER和VT的溫度系數(shù)，近似得：
代入式(8)得：
因此，如果要使，I0較小，而且(R1+R2)較小(這樣版圖面積小)，則需要折衷考慮(兩者矛盾)，比如選取R2=R1，則，I0較小而(R1+R2)較大，一般來說，選取R2=2R1左右較合適。如果N=8，則根據(jù)式(9)可得：
從而有：
設(shè)計時，需要根據(jù)靜態(tài)電流的要求確定電阻值。
3 版圖設(shè)計時的考慮因素
版圖設(shè)計在模擬集成電路的設(shè)計中非常重要，它往往決定著電路的性能，所以在本次設(shè)計中充分考慮了器件的匹配性及版圖的布局和布線等問題。
首先，在繪制面積比為N:1的Q1和Q2 PNP晶體管時，采用3×3陣列，Q1位于陣列的中央，其他8個等面積并聯(lián)的PNP晶體管環(huán)繞Q1形成Q2，這樣可以增強匹配，減小失調(diào)[7]。
其次，無論對于正或負溫度系數(shù)的量，在前面推導(dǎo)出的與溫度無關(guān)的電壓都是依賴于雙極型器件的指數(shù)特性，所以必須在CMOS工藝中找到具有這種特性的結(jié)構(gòu)。在N阱工藝中，PNP晶體管可以按圖4所示結(jié)構(gòu)構(gòu)成。N阱中的P+區(qū)(與PMOS的源漏區(qū)相同)作為發(fā)射區(qū)，N阱本身作為基區(qū)，P型襯底作為PNP管的集電區(qū)，并且必然接到最負的電源。
最后，在集成電路的制造中，電阻值的誤差很大，電阻間的比值誤差對電路的溫度補償特性具有很大的影響[8]。所以，為減小電阻的比值誤差，對電阻進行了對稱的排列。同時，為了防止周邊環(huán)境的影響，在電阻的周圍加上dummy，這樣就提高了電阻的匹配度。
4 基準源的仿真
本設(shè)計采用UMC公司的0.6μm 2P2M標準CMOS工藝模型庫進行仿真，在此模型庫中，NMOS閾值電壓為+0.883 V，PMOS閾值電壓為-0.873 V。在電源電壓為3 V時，輸出的基準電壓在-40℃～120℃的溫度范圍內(nèi)的變化約為4.41 mV。圖5中給出了電源電壓Vdd分別在1.5 V、3 V和4 V時基準的溫度特性的仿真結(jié)果。
圖6給出了基準在0 V～4 V的電源電壓范圍內(nèi)基準隨電源電壓變化的仿真結(jié)果，從圖中可以看出在1.5 V～4 V的電源電壓范圍內(nèi)基準輸出為1.293 V，隨輸入電源電壓變化的最大偏移為0.27 mV。
圖7為基準啟動過程的仿真曲線?？梢钥闯觯鶞蕪碾娫瓷想姷椒€(wěn)定輸出的啟動時間約為25μs。
最后，還對基準的電源抑制比、功耗和噪聲特性進行了仿真，仿真結(jié)果表明基準具有較高的電源抑制比，小于500 nV/Hz1/2的噪聲，并且在電源電壓為3 V時，基準總電流約14.25μA時，功耗約42．74μW。
5 結(jié)束語
本義在分析典型的帶隙基準的原理的基礎(chǔ)之上設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)新穎、工程實用的帶有軟啟動功能的帶隙基準源。在輸出參考電壓為1.293 V、溫度為25℃時對其進行丫一階溫度補償，采用UMC公司0.6μm2P2M標準CMOS工藝模型庫進行仿真，HSPICE模擬表明該電路在精度、穩(wěn)定性、功耗、電源抑制比和噪聲方面均達到了沒計要求，軟啟動的時問也在沒計的要求范圍之內(nèi)，可廣泛應(yīng)用于多種模擬集成系統(tǒng)中。