一種簡單的帶隙基準源-

1、 一種簡單的帶隙基準源1胡浩,陳星弼電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,成都(610054E-mail :huhao21摘 要:文章提出了一種在兩管帶隙基準源基礎(chǔ)上發(fā)展的簡單基準源。電路用簡單的結(jié)構(gòu),用反饋環(huán)實現(xiàn)了有較高電源電壓抑制比的基準輸出。文中對反饋環(huán)的工作情況進行了分析?；鶞瘦敵龅牡湫椭禐?.255V ,電源電壓抑制比在低頻下大約為60dB ,1MHz 時降到40dB ,-20至120上溫漂系數(shù)為10ppm/。最后,文章指出了一些基準源版圖設(shè)計需要注意的地方。關(guān)鍵詞:帶隙,基準源,高電源電壓抑制比,低溫漂系數(shù)中圖分類號:TN41.引言模擬電路集成電路里廣泛地包含電壓基準。這種

2、基準是直流量,它與電源和工藝參數(shù)的關(guān)系很小,但與溫度的關(guān)系是確定的 1?；鶞试从泻芏喾N,其中很大一部分是帶隙基準源。圖1所示為帶隙基準源的原理圖。雙極型晶體管BE 結(jié)電壓溫度系數(shù)在室溫時大約為-2.2mV/。另外熱電壓在室溫時的溫度系數(shù)為+0.085mV/。將電壓乘以常數(shù)K 并和電壓相加可得輸出電壓為BE V t V t V BE V t ref KV V V +=BE 。令0/=T V ref 并代入和的溫度系數(shù),可求得常數(shù)K 。它可使的溫度系數(shù)在理論上為0。同時,由于受電源電壓變化的影響很小,帶隙基準源受電源的影響也很小。BE V t V ref V BE V 已經(jīng)有很多高精度、高電源電壓

3、抑制比和溫度系數(shù)很低的基準源電路問世,但這些基準源往往都比較復雜,本文提出一種在兩管帶隙基準源基礎(chǔ)上發(fā)展的簡單基準源電路,核心電路只用了六個晶體管和3個電阻,實現(xiàn)了較高的電源電壓抑制比和較低的溫度系數(shù)。2.兩管能隙基準源原理 圖1 帶隙基準原理 圖2 兩管帶隙基準源原理圖2是一種兩管帶隙基準源原理圖,、為兩個基極相連的NPN 晶體管,的發(fā)射極面積是發(fā)射極面積的倍,1Q 2Q 1Q 1A 2Q 2A n 32R R =,若21C C V V =,則(,分別為、的發(fā)射極電流,由于NPN 晶體管的21I I =1I 2I 1Q 2Q 很高,所以基極電流可以忽略不計。那么 1 本課題得到高等學校博士學

4、科點專項科研基金(項目編號: 20030614005資助 可以得到電阻上壓降1R In(/(/In(2211BE2BE11n V A I A I V V V V t t R = (1則(In /(12BE1n V R R V V t ref += (2 由式(2可知,利用等效熱電壓的正溫度系數(shù)和的負溫度系數(shù)相互補償,可使輸出基準電壓的溫度系數(shù)接近于零。令t V BE V 0/=T V REF ,有(In /R (R 12n 25.9。3.改進的基準源 圖3 改進的帶隙基準源 圖4 啟動電路作者提出的帶隙基準源如圖3所示。圖2中電流源由二極管接法的提供,、通過內(nèi)部反饋環(huán)路使其相等,反饋環(huán)路工作原

5、理分析如下: 由感應,當增大, 1M 1C V 2C V 2C V 3Q 2C V 即基極電壓升高,由于偏置電流一定(由提供,集電極電壓下降,即基極電壓下降,使下降,使下降3Q 3Q 2M 3Q 4Q r I ref V ref V ,下降2C V /(2332R r r V V be be ref C +=(忽略,是基極輸入電阻,下降1R 3be r 3Q 1C V /(1111R r r V V e e ref C +=(=1e r 1/(11+be r ,是基極輸入電阻,1be r 1Q 1是共射交流電流放大系數(shù)。1Q 11>>,可以知道,下降幅度要大,所以反饋環(huán)路使重新等于

6、。2C V 2C V 1C V 為了計算環(huán)路增益,假設(shè)基準輸出變化。下列各式中,是基極電流,是小信號輸出電阻,ref V ref v 3b i 3Q 3o r 3Q 3是共射交流電流放大系數(shù),是小信號輸出電阻,是發(fā)射極電流,3Q 6o r 6Q 4e i 4Q 4是共射交流電流放大系數(shù),是基極輸入電阻。4Q 4be r 4Q /(323be ref b r R v i += (3463334/be o o b b r r r i v = (44444/1(be b e r v i += (5從(3-(5,環(huán)路增益ref ref e L v r i A /4=(是從端向下看的小信號電阻,可以表示

7、為ref r ref V 11e ref r R r +/(1(/1(33123433446334be e be be be o o ref L r R r R r R r r r r r A +=(6 設(shè)計時,從版圖的角度出發(fā),令的發(fā)射極面積是的發(fā)射極面積的8倍,即式(2中,另外2Q 1Q 8=n =K 5.54,K 5321R R R 。圖3所示電路無法自啟動,所以,需要一啟動電路,如圖4。的漏端接圖3中的基極,電容C 為100fF 左右。電源上電時,電容壓降為0,導通,讓基準源電路啟動。同時,給電容充電,電容C 壓降漸漸升到電源電壓,使在基準源啟動后關(guān)斷。4M 4Q C 4M 3M C

8、4M 4.仿真結(jié)果用cadence 仿真所得基準源各項指標如表1所示。表1 基準源各項指標參數(shù) 仿真值溫度( -20 至120電源電壓范圍(V 3.2至6消耗電流(uA30 平均輸出電壓(V1.255 溫度系數(shù)(ppm/10 電源電壓抑制比(dB1KHz 64.510KHz 64.5100KHz 61 1MHz 405.版圖注意事項對于基準源來說,版圖的設(shè)計相當重要,版圖設(shè)計不好會影響基準源性能。下面就晶體 圖5 晶體管和電阻的版圖畫法示意管和電阻的版圖說明。圖3中的、需要很好的匹配,采用中心對稱的方法可以使失配減小,如圖5(a1Q 2Q 2。電阻的設(shè)計也最好采用中心對稱的畫法,如圖5(b2。

9、另外,圖5(b中的電阻應畫成長條狀,以減小接觸孔電阻帶來的影響。還可以更好的方法是采用激光修條電阻,可以更加精確的控制電阻比值。6.總結(jié)作者用很簡單的電路實現(xiàn)了具有較高電源電壓抑制比和較低溫漂系數(shù)的帶隙基準源。文中分析了電路的內(nèi)部反饋環(huán)路?；鶞试窗鎴D設(shè)計需要注意的地方也進行了一定的討論。此電路適用于對基準源要求不是太高的場合,如穩(wěn)壓電路中的基準源。 參考文獻1 畢查德拉扎維模擬CMOS半導體集成電路設(shè)計 p309西安:西安交通大學出版社,2003.2 Philip K. T. Mok and Ka Nang Leung,“Design Considerations of Recent Adva

10、nced Low-V oltage Low-Temperature-Coefficient CMOS Bandgap V oltage Reference”,IEEE CUSTOM INTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE,2004A Simple Bandgap Reference CircuitHu Hao, Chen XingbiState Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices, UESTCChengdu (610054AbstractThe paper presents a re

11、ference voltage circuit based on the conventional bandgap reference using two bipolar junction transistors. The feedback loop in the circuit, which insures the high psrr of the circuit, is studied. Although its simple, the circuit performs well, realizing a 1.255V reference voltage, with a temperature coefficient of 10ppm/.The psr