带隙电压基准源的设计与分析

摘要 介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。
关键词 基准源；Banba结构；带隙基准源；输出电压

基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。
在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。

1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。
以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。

1 带隙基准源工作原理
由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。
为得到与温度无关的电压源，其基本思路是将具有负温度系数的双极晶体管的基极-发射极电压VBE与具有正温度系数的双极晶体管VBE的差值△VBE以不同权重相加，使△VBE的温度系数刚好抵消VBE的温度系数，得到一个与温度无关的基准电压。图2为一个基本的CMOS带隙基准源结构电路。

其中，Vref为输出的基准电压；VBE为图2中Q1的基极-发射极电压；R1，R2在电路中的位置如图2所示。