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、溫度變化幾乎無關的突出優(yōu)點，所以被廣泛地應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)圖來詳細推導此原理。


  

  

可知一般二極管上電流和電壓的關系為[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，因此在實際的工藝制作中將會有很高的精度?；鶞式⒑?，基準電壓與輸入電壓無關。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)榈碗娖剑筂14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，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，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： 

 
設計時，需要根據(jù)靜態(tài)電流的要求確定電阻值。

3 版圖設計時的考慮因素

版圖設計在模擬集成電路的設計中非常重要，它往往決定著電路的性能，所以在本次設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