一个高性能带隙基准电压源的设计

摘 要：设计一种适用于标准CMOS工艺的带隙基准电压源。该电路采用一种新型二阶曲率补偿电路改善输出电压的温度特性；采用高增益反馈回路提高电路的电源电压抑制能力。结果表明，电路温度系数为3．3 ppm／℃，在电源电压2．7～3．6 V范围内输出仅变化18μV左右。
关键词：CMOS；带隙基准电压源；曲率补偿；电源抑制比

0 引 言
基准电压是集成电路设计中的一个重要部分，特别是在高精度电压比较器、数据采集系统以及A／D和 D／A转换器等中，基准电压随温度和电源电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能。因此，在高精度的应用场合，拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提。
传统带隙基准由于仅对晶体管基一射极电压进行一阶的温度补偿，忽略了曲率系数的影响，产生的基准电压和温度仍然有较大的相干性，所以输出电压温度特性一般在20 ppm／℃以上，无法满足高精度的需要。
基于以上的要求，在此设计一种适合高精度应用场合的基准电压源。在传统带隙基准的基础上利用工作在亚阈值区MOS管电流的指数特性，提出一种新型二阶曲率补偿方法。同时，为了尽可能减少电源电压波动对基准电压的影响，在设计中除了对带隙电路的镜相电流源采用cascode结构外还增加了高增益反馈回路。在此，对电路原理进行了详细的阐述，并针对版图设计中应该的注意问题进行了说明，最后给出了后仿真结果。

l 电路设计
1．1 传统带隙基准分析
通常带隙基准电压是通过PTAT电压和CTAT电压相加来获得的。由于双极型晶体管的基一射极电压Vbe呈负温度系数，而偏置在相同电流下不同面积的双极型晶体管的基一射极电压之差呈正温度系数，在两者温度系数相同的情况下将二者相加就得到一个与温度无关的基准电压。
传统带隙电路结构如图1所示，其中Q2的发射极面积为Q1和Q3的m倍，流过Q1～Q3的电流相等，运算放大器工作在反馈状态，以A，B两点为输入，驱动Q1和Q2的电流源，使A，B两点稳定在近似相等的电压上。

假设流过Q1的电流为J，有：

由于式(5)中的第一项具有负温度系数，第二项具有正温度系数，通过调整m值使两项具有大小相同而方向相反的温度系数，从而得到一个与温度无关的电压。理想情况下，输出电压与电源无关。
然而，标准工艺下晶体管基一射极电压Vbe随温度的变化并非是纯线性的，而且由于器件的非理想性，输出电压也会受到电源电压波动的影响。其中，曲线随温度的变化主要取决于Vbe自身特性、集电极电流和电路中运放的失调电压，Vbe自身特性对曲率的影响最为严重，所以要获得高性能的带隙基准电压，就必须对曲线的曲率进行校正。在本设计中，针对Vbe的高阶温度特性进行了补偿，并通过引用共源共栅和反馈电路来优化带隙电路的电源电压抑制特性。
1．2 高性能带隙基准电路
该设计的完整电路如图2所示，M6～M16电容C和电阻R4构成运算放大器；M1～M5为放大器提供所需要的偏置电流；基本带隙部分由M13～M18， Q1～Q3以及R1和R2组成；M19，M20，R3构成二次曲率补偿电路，M21～M28构成反馈放大反馈电路抑制电源波动，M29～M31完成电路的启动功能；最后由pwr实现电路的开关状态。