一种低温漂低功耗的简易带隙基准电压设计

1、种低温漂低功耗的简易带隙基准电压设计模拟电路设计常常用到电压基准和电流基准。这些基准受电源、温度或者工艺 参数的影响很小，为电路提供一个相对稳定的参考电压或者电流，从而保证整 个模拟电路稳定工作。目前已经出现的高性能带隙基准，能够实现高精度、低 温漂和低功耗，但这些电路中一般都有运放，调试难度较大；电路结构复杂， 原理不便理解。在一般的应用中，如果对带隙基准电压的要求不是特别高的情 况下，完全可以采用一种更为简洁的电路结构。因此，这里介绍一模拟电路设计常常用到电压基准和电流基准。这些基准受电源、温度或 者工艺参数的影响很小，为电路提供一个相对稳定的参考电压或者电流，从而 保证整个模拟电路稳定工

2、作。目前已经出现的高性能带隙基准，能够实现高精 度、低温漂和低功耗，但这些电路中一般都有运放，调试难度较大；电路结构 复杂，原理不便理解。在一般的应用中，如果对带隙基准电压的要求不是特别 高的情况下，完全可以采用一种更为简洁的电路结构。因此，这里介绍一种简 易可行的带隙基准电压的设计，利用 P TAT电压和双极性晶体管发射结电压的不 同的温度特性，获取一个与温度无关的基准电压。1 低温漂低功耗带隙基准电压设计带隙基准电压的设计目标，就是建立一个与电源和温度无关的直流电压VREF进一步将该目标分为2个设计问题：设计与电源无关的偏置，获取能抵 消温度影响的电压值。图 1 为其整体设计框图。1 1

3、与电源无关的偏置首先设计与电源无关的偏置。考虑采用 2个NMO管和电阻做近似的电 流镜做偏置，并充分利用电流镜的“电流复制”特点，设计一个简单的电流产 生电路，如图2所示。在这个电路中，因为栅漏短接的 MOS管都是由一个电流 源驱动，所以 I0 和 I1 几乎与电源电压无关。同时， 2条支路的电流关系是确 定的，只要已知10,便可由宽长比得到左边支路电流的大小。忽略沟道长度调 制效应的影响，支路电流的比值和 MOS管宽长比的比值成正比。为了唯一确定电流，加入电阻 R1。则有：VGS仁VGS2+I0R1忽略体效应，有:由式(1) 可见，输出电流与电源电压无关，但仍与工艺和温度有关。1 2 与温度

4、无关的基准带隙基准的核心，就是将有着正负相反温度系数的电压以适当的系数加权，得到零温度系数的电压量。本设计中用到的负温度系数电压，是PN结的正向电压，也就是BJT的发射结正偏电压。双极型晶体管的集电极电流和基极发 射极电压的关系：式中，Is是双极型晶体管的饱和电流，Eg是硅的禁带宽度。当VBE-0. 75v， T=300 K 时，能会引起误差。注意，该温度系数本身与温度有关，可相同的双极型晶体管在不等的电流密度下工作，它们的基极发射极电压 差值与绝对温度成正比，利用这个关系，建立一个带正温度系数电压。假设 BJT的饱和电流，Is1=ls2=ls，集电极电流分别为nI0和10 ,那么：根据以上分

5、析，完全可以利用这 2 种带有相反温度系数的电压设计一个，已知零温度系数的电压基准。假设，取a =1，则只需 式中，n是VQ1的BJT并联数，m是流经R2和R1的电流比值，等于Vp3和Vp1 的宽长比。P Inn 17. 2,即可满足，实现了零温度系数基准电压 VREF。1 . 3 参数确定电路整体设计如图 3 所示。其输出电压的表达式：在调试电路时应该注意，Vp1、Vp2、VN1 VN2和电阻组成提供偏置的 电流源，因此Vp1和Vp2、VN1 和 VN2应该尽量匹配，对称设计，且管子尺寸稍 大。同时，使VN1 和 VN2的源极电压值尽可能相等。在原理设计中，多次进行理性化估计，实际测试中存在

6、的误差在所难 免。为了达到最优效果，必须在测试中不断修正电路参数，然后再做测试。同 时也应意识到，任何一个电路的各个指标都是相互影响相互制约的，应根据需 要调整，以保证整体设计效果。2 仿真结果采用0. 35卩m BiCMOS工艺模型对电路进行仿真，输出电压随温度变化 曲线如图4所示。当电压提供5 V供电，温度从O-70C变化时，电压始终在1. 135 321. 136 56 V范围内变化，测得温漂系数为 16. 4 ppm/C。当电 源电压从56 V变化时，输出电压变化量为1. 3 mV,电源抑制比达57. 7 dB。噪声分析如图5所示，用软件对曲线进行积分，可得到电路总的输出噪声 为140. 3卩V。同时，电路总电流控制在 60讥 左右，功耗为300. 6卩W3 结束语介绍了一种结构简易，原理清晰的带隙基准电压源的设计过程。采用不 受电源影响的串联电流镜做偏置，利用 P TAT电压和基极发射极电压的相反温度 系数特性构造输出电压。070C范围内，温漂系数为16. 4 ppm/C。供电从 56 V变化时，电源抑制比达57. 7 dB。总输出噪声为140. 3卩V,功耗为 300.