一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析(最终版)

分析摘要：本文根据基准产生的基本原理、特性，并对传统的基准源电路结构进行分析和总结的基础上，综合了温度补偿及电阻分压技术，省去了差动放大器的设计方式，设计出了一款能应用于开关电源控制芯片的高性能带隙基准源。本电路基于6“m标准BJT工艺实现，仿真结果表明当电源电压为15V时，在TA=25°C时，Vf输出为5V；A ref当12VWVcW25V时,线性调整率为0.16mV；当lmAWIW20mA时,负载调整率为1.61mV左右；温度稳定性良好，大约为0.05mV/°C°关键词：基准源；开关电源控制芯片；线性调整率；温度稳定性，其中VT= ，为饱和电IexpS。通过对VBE的温度特性做了BE流[2],VBE=VlnT比（AV=V-VBE BE2 ，其中VT= ，为饱和电IexpS。通过对VBE的温度特性做了BE流[2],VBE=VlnT比（AV=V-VBE BE2 BE1现出正温度系数特性。VREF图1带隙基准源原理图Fig・1Theschematicofband-gapreference(1)(2)=IRBE1 C11；VBE2(3)V=VlnBE1 T=VlnT由等式（2）、（3），可得:V—V倍，得到流过右边支路的电流为V皿TR,因此输出电使得VREF(4)Q2的n(5)2R、2R丿1=Vbe1+Tlnn为了得到零温度系数（即AVREF=AT0)，(6)必须R=4。R1V=V+(Vlnn—V)REF BE1 T OS(7)2.输出可调的高精度带隙基准电压源[7]-[9]0•引言随着集成电路技术的高速发展，对A/D（模/数转换器）、D/A（数/模转换器）、PLL（锁相环）、DRAM（动态存储器）［1］、开关电源控制器等电路模块提出了更高的精度和速度的要求，为了能高性能地实现以上功能模块，高稳定度、低压基准源的设计是十分关键的。为了获得一款能够广泛应用于开关电源的基准源，本文设计省去了使传统电路处于深度负反馈的差动放大器，简化了设计，并结合先前的一阶温度补偿技术及相关的外围辅助电路给出了一款输出值宽范围可调的带隙基准源。1•基本带隙基准源的原理分析假设将两个具有相反温度系数的电压量以适当的权重相加，就能设计出令人满意的零温度系数的输出电压。带隙基准源就是利用以上基本原理而得到。由于双极晶体管的基极-发射极电压vbe具有BE负温度系数。对于双极器件，我们有、V~BEV丿~rI丿SAV详细的研究［3］，在常温下—beQ1.5mV/0K，然而ATH+0.087mV/0K。1964年Hilbiber认识到⑷，AT如果两个双极性晶体管工作在不相等电流密度下，他们的基极一发射极电压差值就与绝对温度成正=Vlnn），这样，AV就表T BE即：如图1,即为带隙基准源的基本原理图⑸。图中由于电流镜的作用，使得两支路上的电流值相等（I=I），放大器0P处于深度负反馈的情况下，C1C2使得V+=V-,晶体管Q1的发射极面积是Q2的n倍。因此，在电路平衡时，以及运算放大器输入端电压“虚短”，我们可以得到：AV=V—V由已知公式可得：""CT11丿S1V.TE2 BE1=~TlnRR已知晶体管Q1的发射极面积是晶体管压为:Vlnn=V+~1 (R+R)?BE1 R 11(In”〜1，72。例如，我们可以选择n=31，然而，由于一定的失调电压V存在于实际电os路中⑹，且对基准源精度产生影响，即‘R）1+rR丿可见运放的失调电压大小会导致相当大的基准输出电压误差。一般情况下可以采用两级运放作为反馈用以降低失调电压误差。因此，为了进一步降低失调电压误差，就必须对基准源结构进行改进和提咼。由于该基准电压源是为了应用在一个电源电压为15V的开关电源电路中。基准源的一个最重要的指标就是温度系数，为了能实现高性能的指标设计，要求所设计的基准电压源的温度系数应尽可能低。为了配合其他电路模块的设计条件需求，即要实现参考电压输出的可配置性。

如图2所示，即为所设计的基准源电路。该基准电压源采用了一阶温度补偿技术、过流保护技术及电阻分压的修正技术，设计出了可为开关电源模块电路提供基准电压和偏置电压的带隙基准电路，且该电路设计摒弃了文献［6］、［8］中用于稳定输出电压的差动放大器的设计方式，简化了设计，并能提供5.0V左右的外输出电压。压，此时，由于电阻r8上压降的升高，从而使得q8截止，启动电路停止工作。R”、Q3、Q5组成一个过流保护电路，R„为过11 13 15 11流保护取样电阻。3•仿真结果的讨论与分析图2设计的基准源整体电路图Fig・2thedesignofcircuitofband-gapreference本设计采用6ymBJT工艺，T=25°C时，用仿真器spectre对电路进行tt标准仿真。采用15V电源电压，得到的基本带隙基准电压为1.25V，输出的Vef=5.002V，符合4.90V到5.10V之间的设计指标。” (1)线性调整率DCResponse5.00210'I5.002045.001985.0019212172227图2中由Q］、Q2、R］、R2、R3、R8、R9、R10组成基准电压源电路，其中Q3用于限制管子Q上上的电流大小，且由于电流镜Q4、Q5的作用，使得Q1>Q2支路上的电流值相等，Q］、Q2的发射区面积之比为6：1。因此，由于两个双极晶体管(Q^Q2)工作在不相等的电流密度下，则他们的基极一发射极电压的差值就与绝对温度成正比，并在R］上产生PTAT电流IpTAT为： v詮-V仙&TITI VlnAI=BE- S2 S1-TPTATq q⑻R Rde(V)图3基准电压线性调整率Fig.3Thelineregulationofcircuit如图3所示，当12V<yc<25V^，根据仿真结果计算得到线性调整率为0.16mV/V。满足了指标要求。(2)负载调整率DCResponse5.00195.0013其中，A为Q］、Q2发射区面积之比(在这里我们设为6,在版图设计时，0］由6个相同的晶体管并联而成)。产生的PTATt流在R2、R3上形成压降(R3为基准修调电阻)，与叠加在一起形成基本的基BE2准电压，即：V-V+I(R+R)BE2 PTAT2 3Vln6)-V+T(R+R丿BE我们可以通过调节(R2+R3)与的的比值来调节V的大小，大约为1.25V。R8、R9、R10为内部模块电路提供分压，用于修正电压值的输出，这里V戸5V。启动电路由Q10、Q9、R5、Q8、R4、Q7、Q14构成。当电源电压VCC工作后，Q9、Q10组成的电流镜工作，从而使q8导通，这样q14、q7组成的恒流源工作，给q6提供基极电压和集电极偏置而使其导通工作，从而在#£引出端得到5V左右的输出基准电ref5.00075.0001110100de(mA)图4基准电压负载调整率Fig.4Theloadregulationofcircuit从图4可以看出，当电源电压Vcc=15V，且让输出电流I0在1mA〜20mA变化时，可以算出负载调整率在1.61mV左右，满足了必须小于25mV的设计指标，并且效果良好。(3)温度稳定性DCResponse ref5.003:--.TOC\o"1-5"\h\z5.001: ' -■\4.999:4.997: .4.995:4.993-70 -20 30 80 130temp(C)图5基准电压温漂Fig.5Thetemperaturecoefficientofcircuit通过图5的仿真波形中可以看出，当-55°CT总125°C时，温度稳定性良好，大约为0.05mV/°C,达到了应用的要求。4.总结与分析由以上设计的带隙基准可知，本文在对传统带隙电压基准源电路的分析和总结的基础上，提出了一种新型的BJT带隙电压基准源。该基准源的设计省去了传统的差分放大器设计方式，使得电路变得更简单并趋于稳定。可靠性较高，能在-55°C〜125°C宽温度范围内稳定工作。仿真结果证明了设计的正确性，达到了应用的设计要求。参考文献谢佳•高性能带隙基准源的设计与实现[D].电子科技大学硕士学位论文BehzadRazavi,陈贵灿，程军译.模拟CMOS集成电路设计[M],西安交通大学出版社，2002YPTsividis.AccurateanalysisoftemperatureeffectsinIC-VBEcharacteristicswithapplicationtoband-gapreferencesources[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,1980(15):1076-1084DHilbiber.ANewSemiconductorVoltageStandard[C].ISSCCDigofTech.1964:32-33KEKujik.APrecisionReferenceVoltageSource[J].IEEEJournalofSolidStateCi