带隙基准电压源设计解析

1、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/C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

2、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。I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，

3、其中Q2的发射极面积为Q1和Q3的m倍，流过 Q1Q3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。图1 传统带隙基准电压源小假设流过Q1的电流为J,有：1= tvbel 由T % =红In半(3)将式（对帘人式（2）整理得kTI =乜厂血W将式（4）带入式（1）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

4、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，M6M16电容C和电阻R4构成运算放大器； M1M5为放大器提供所需要的偏置电流；基本带隙部分由M13M18，Q1Q3以及R1和R2组成；M19，M20，R3构成二次曲率补偿电路， M21M28构

5、 成反馈放大反馈电路抑制电源波动，M29M31完成电路的启动功能；最后由pwr实现电路的开关状态。由文献2可知，二次曲率的校正可以通过不同温度系数的电阻来实现，即:由于R1和R3具有不同的温度系数，对二者比值用泰勒公式展开，有:RTy/RT） =7 TH 1 +（Ki 几）+（K（T To2 4 K/K3（T-几）叮航咬了）式中：K1为R1的温度系数，为正值；K3为R3的温度系数，为负值。二者的温 度系数正负差异越大，曲率补偿的效果就越好。当MOS管的栅一源电压接近于开启电压时，该 MOS管就工作在亚阈值区。此 时，流过管子的电流与栅一源电压呈指数关系，其电流公式如下：式中：n为亚阈值斜率因子

6、(11，所以R3和R2的温度系数差异得到了指数关系的放大，从而对 Vbe3的二阶温度系数有了更好的补偿效果，而且该特性只需要1个N型MOS管实现，相对于文献3来说，节省了电阻的占用面积，很适合在工程上使用。1. 3提高电源抑制电路与启动电路分析原则上来说，传统的带隙电路本身具有较好的电源抑制特性，其输出电压几乎与 电源电压无关，但是目前工程上使用的 MOS管大部分为亚微米器件，因而不可 避免地产生二级效应(主要是沟道长度调制效应和体效应)，对流过MOS管的电流 I产生影响。所以要得到一个精准的基准电压，必须引入额外电路，提高电路的 电源电压抑制能力。在该设计中，除了采用cascode结构外，额

7、外增加了 M21M28来实现对电源波 动的抑制，如图2所示。带隙的核心电路电压由 V1提供，当电源电压VDD升高 时，V1电平也将升高，同时由M21M24感应运放两个输入节点电位差并将其 进一步放大，提升了 M25的栅极电位，同时通过 M26镜相电流的增大，使流过 M25的电流增大，降低了 M25的等效输出电阻，最终使 V1电平降低。显然放大 器的增益越高，对电源波动的抑制越好。由于电路存在两个偏置点，为了保证电路的正常工作，加入了M29M31的启动电路。当电源电压接通时，可能出现各支路电流为零的情况，电路处于非正常工 作状态，此时输出电压也为 0。由于M30和M31组成的反相器使M29的栅极

8、电 位变为高，故M29将导通并向电路注入电流，使电路启动恢复正常工作状态， 此时电路输出电压为高，M29栅极电位变为0，M29关断，所以对电路正常工作 不会产生影响。电路中pwr主要控制电路的开关状态，当 pwr接高/低电平时， 电路处于关/开状态。2版图设计最终版图设计如图3所示，在该设计中版图设计需要注意的主要问题是保证器件 之间的匹配和对称，匹配的器件布局要紧凑，并尽可能保证周围环境的一致性， 例如，运放的输入差分对 M8和M9、同材料电阻R1和R2等。因为运放的失调 对电路的性能影响较大。而电阻的失配也会对输出电压的温度特性产生影响。另 外，构成电流镜的MOS管之间保持对称性在该设计中

9、也是至关重要的。为了抑 制沟道长度调制效应，在该设计中，MOS管的沟道长度取工艺允许的最小长度的两倍。最后，在面积和性能之间取一个折衷关系，将Q1与Q2的面积之比定为8： 1。T仃AiflrnnliIJIn图3 带隙基准版图3后仿真模拟结果该电路设计主要采用 TSMC CMOS 0. 18/叩工艺，使用Cade nee Spectre进行 仿真，并用calibre完成版图的参数提取。后仿真输出电压随温度的变化如图 4所示。从图中可以看到，在温度-40+120C 范围内，电压仅变化 O. 39 mV，温度系数约为3. 3 ppm/C。基准电压随电源 电压的变化如图5所示。电源电压从2. 73. 3 V变化范围内，输出的基准电压 变化在18 yV左右。1474 401 474 10Jl21)0图4 基准电压温度特性图5 基准电压电源波动特性4结语采用0. 18m标准CMOS工艺设计了一个应用于高精度要求场合的基准电压 源，采用一种新的二阶