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低压CM0S带隙基准电压源设计

作者:时间:2010-04-28来源:网络收藏
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源广泛应用于电源调节器、A/D和D/A转换器、数据采集系统,以及各种测量设备中。近年来,随着微电子技术的迅速发展,低功耗已成为当今电路的重要标准之一。比如,在一些使用电池的系统中,要求电源在3 V以下。因此,作为电源调节器、A/D和D/A转换器等电路核心功能模块之一的源,必然要求在低电源电压下工作。
在传统的带隙中,输出电压常在1.25 V左右,这就限制了最小电源电压。另一方面,共集电极的寄生BJT和运算放大器的共模输入电压,也限制了PTAT电流生成环路的。近年来,一些文献力图解决这方面的问题。归纳起来,前一问题可以通过合适的电阻分压来实现;第二个问题可以通过BiCMOS工艺来实现,或通过低阈值电压的MOS器件来实现,但工艺上的难度以及设计成本将上升。
基于上面的考虑,本文首先对传统的带隙电压源原理进行分析,然后提出了一种比较廉价且性能较高的带隙基准电压源,采用电流反馈、一级温度补偿技术设计了低压CMOS带隙基准源电路,使其电路能工作在较低的电压下。本文介绍这种带隙电压基准源的设计原理,给出了电路的仿真结果,并对结果进行了分析。并基于CSMC 0.5μm Double Poly Mix Process对电路进行了仿真,得到理想的结果。

l 低压COMS基准电压源设计
1.1 传统的带隙基准源

图1为带隙基准电压源的原理示意图。双极性晶体管的基极-发射极电压VBE,具有负的温度系数,其温度系数一般为-2.2 mV/K。而热电压VT具有正的温度系数,其温度系数在室温下为十0.085 V/K。将VT乘以常数K并和VBE相加就得到输出电压VREF:

将式(1)对温度T微分并代入VBE和VT的温度系数可求得K,它使VREF的温度系数在理论上为零。VBE受电源电压变化的影响很小,因而带隙基准电压的输出电压受电源的影响也很小。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/180881.htm


图2是典型的CMOS带隙电压基准源电路。两个PNP管Q1,Q2的基极一发射极电压差△VBE:

式中:J1和J2是流过Ql和Q2的电流密度。运算放大器的作用使电路处于深度负反馈状态,使得节点1和节点2的电压相等。即:

由图2可得:

通过M1和M2的镜像作用,使得I1和I2相等,结合式(4)和式(5)可得:

式中;A1和A2是Q1和Q2的发射极面积。比较式(5)和式(1),可得常数K为:

在实际设计中,K值即为式(7)表示。
传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压,但其电源电压较高(大于3 V),且基准输出范围有限(1.2 V以上)。要在1.8 V以下的电源电压得到1.2 V以下的精确基准电压,就必须对基准源结构上进行改进和提高。
1.2 低压COMS基准电压源的电路设计
本设计基于CSMC-O.5μm-CMOS工艺(NMOS的阈值电压为0.536 V,PMOS的阈值电压为-0.736 V)。采用一级温度补偿、电流反馈技术设计的低压带隙基准源电路如图3所示。低压带隙基准源的电流不仅用于提供基准输出所需的电流,也用于产生差分放大器所需的电流源偏置电压,简化了电路和版图设计。



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