-
基
准
路
设
计
带
隙
电
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帯隙基准电路设计
（东南大学集成电路学院）
一
.
基准电压源概述
基准电压源
(Reference
Voltage)< /p>
是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压
基准的具有相对较高精度和稳定
度的参考电压源，它是模拟和数字电路中的核
心模块之一，在
DC/DC
，
ADC
，
DAC
以及
< p>DRAM等集成电路设计中有广泛的
应用。它的温度稳定性以及抗噪
性能影响着整个电路系统的精度和性能。模拟
电路使用基准源，是为了得到与电源无关的
偏置，或是为了得到与温度无关的
偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定。在
CMOS
技术中基准产生的设
计，着重于公认的“帯隙”技术，
它
可以实现高电源抑制比和低温度系数，因
此成为目前各
种基准电压源电路中性能最佳、应用最广泛的电路。
基于
CMOS
的帯隙基准电路的设计可以有多种电路结构实现。常用的包括
Banba
和
Leung
结构带薪基准电压源电路。在综合考虑各 方面性能需求后，本
文采用的是
Banba
结构进行设计 ，该结构具有功耗低、温度系数小、
PSRR
高
的特点，
最后使用
Candence
软件进行仿真调试。
二
.
帯隙基准电路原理与结构
1.
工作原理
带隙基准电压源
的设计原理是根据硅材料的带隙电压与电源电压和温度无
关的特性，通过将两个具有相反
温度系数的电压进行线性组合来得到零温度系
数的电压。用数学方法表示可以为：
V
REF
?
?
1
V
1
?
?
2
V
2
，且
?
1
1).
负温度系数的实现
根据
双极性晶体管的器件特性可知，双极型晶体管的基极
-
发射极电压
V
BE
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?
V
1
?
V
?
?
2
2
?
0
。
?
T
?
T
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具有负温度系数。推导如下：
对<
/p>
于
一
个
双
极
性
器
件
，
其
集
电
< p>极电
流
I
C
?
I
S
ex
p
(
V
BE
/
V
T
)
，
其
中
V
T
?
kT
/
q
，约为
0.026V
，
I
S
为饱和电流。根据集电极电流公
式，得到：
V
BE
?
V
T
ln
为了简化分析
，假设
I
C
保持不变，这样：
I
C
(2.1)
I
S
?
V
BE
?
V
T
I
C
V
T
?
I
S
?
ln
?
(2.2)
?
T
?
T
I
S
I
S
?
T
根据半导体物理知识可知：
I
S
?
bT
4
?
m
ex
p
?
E
g
kT
(2.3)
其中
b
为比例系数，
m
≈
?
3/2
，
Eg
为硅的带隙能量，约为
1.12eV
。得到：
?
E
g
?
E
g
E
g
?
I
S
3
?
m
4
?
m
?
b
(
4
?
m
)
T
ex
p
(
)
?
bT
ex
p
(
)
?
(
2
)
(2.4)
?
T
kT< /p>
kT
kT
所以：
V
T
?
I
S
V
T
E
g
?
(
4
?
m
)
< p>?
2
V
T
(2.5)
I
S
?
T
T
kT
由式
(2.2)
和
(2.5)
，可以得到：
?
BE
V
BE
?
(
4
?
m
)
V
T
?
E
g
/
q
?
(2.6)
?
T
T
V
BE
通常小于
E
g
/
q
，所以
V
BE
和温度负相关。从式
(2.6)
可知，< /p>
V
BE
的温度系数本
身与温度有关，如果正温度系数表现出一个固定的温度系数，在恒定基准的产
生电路
中将会产生误差。
2).
正温度系数的实现
若两
个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极
-
发射极电
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压差值就与绝对温度成正比。如图<
/p>
2.1
所示：
图
2.1
正温度系数的产生电路
?
V
BE
?
BE
1
?
V
BE
2
?
V
T
ln
I
I
?
V
T
ln
?
V
T
ln
n
(2.7)
I
S
nI
S
因此
?
V
B
E
可实现正温度系数：
?
?< /p>
V
BE
V
T
?
ln
n
(2.8)
?
T
T
当
T=300K
时，
?
?
V
BE
?
0
.
086
ln
n
，
n
可以由多个双极性 晶体管并联实现。
?
T
3).
通过正温度系数和负温度系数的叠加可以消除整个电路的温度系数，具体方
法见下节中的基本结构。
2.
基本结构
利用放大器两个
输入端的电压相近就可以很方便得将正负温度系数特性结
合起来，如图
2 .2
：
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图
2.2
基本带隙电压源产生电路
这里放大器以
X
和
Y
端为 输入，驱动
R1
和
R2
电阻的上端，假设放大器为
理想运放，可以使得
X
点和
Y
< p>点稳定在近似相等的电压。基准电压可以通过放
大器的输出端得到。根据对图
2.2
的分析，不考虑运放的失调电压情况下，
V
BE
1
?
V
BE
2
?
V
T
l
n
n
，所以得到输出电压为：
V
out
?
V
BE<
/p>
2
?
V
T
ln
n
(
R
3
?
R
2
)
(2.9)
R
3
同时得到：
?
V
out
?
V
BE
2
V
T
R
2
?
R
3
?
?
ln
n
(2.10)
?
T
?
T
T
R
3
根
据
前
面
的< /p>
分
析
，
如
果
适
当
的
选
择
n
、
< p>R2和
R3
的
值
就
< p>可以
使
得
?
V
out
?
0
，此时可近似认为
输出电压与温度无关。实际上因为
V
BE
的温度系数本
?
T
身与温度有关，所以实际得
到的电压仅在预设温度邻近区域内才能看作与温度
无关，在其他温度下仍有一定影响，并
非完全与温度无关。
三．
Banba
结构的设计
结构的原理
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图
3.1
< p>为Banba
结构的完整电路结构图。
图
3.1 Banba
结构完整电路图
组成：第一部分为启动电路，主要由<
/p>
MSA
，
MSB
，
MSC
< p>三个管子的性能来决
定电路的自启动；第二部分为放大器，采用二级
Mille
电路，并且从带隙部分
获得偏置电流；第三部分为电路核心的
带隙部分。
Banba
结构的特点：
1)
.
在传统的带隙基准电路中（如之前介绍的基本结构），输出电压
Vref
在
1.25V
左右，这就限制了电源电压在
1V
以下的应用，而这个结构的
Vref
通过
两个电流的和在电阻上的压降来实现：一个电流与三极管的
VBE
成正比，另一< /p>
个与
VT
成正比，产生的基准电流通过
MO S
管
M3
镜像到输出电流，再通过输
出负
载电阻
R4
决定输出参考电压（在保证
MOS
管正 常工作的范围内），方便
改变所需产生的电压值；
2).
放大器中采用
Miller
补偿可以增加稳定性，采用
PMOS
管作为差分输入。由
于放大器在电路中起的作用
是保证
1
、
2
电压的相等，对核心部分没有影响， 所
以此结构仍是
Banba
的思想；
< /p>
3).
启动电路使电路节点处于简并状态时也可以自动进入正常工作状态， 其自启
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动
方法是采用一个额外的脉冲来实现的。虽然增加了元件数，却能使制造和启动
过
程简化许多。
具体分析：
为了便于分析，图
3.2
是
Banba< /p>
结构电路的基本结构。
图
3.2 Banba
结构带隙基准
图
3.2
中，假设
M1
，
M2
，
M3
管的宽长比相同，则有：
I
V
Y
V
Y
?
V
1
?
I
2
?
I
3
?
I
?
R
?
Z
(3.1)
2
R
3
< br>由于运放的作用，
V
X
?
V
Y
，所以
I
?
V
X
V
X
?
V
Z
V
BE
?
V
BE
V
BE
V
R
?
?
?
?
?
T
ln
n
2
R
3
R
2
R
3
R
2
R
3
那么基准电压
Vref
就可以得到，
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(3.2)
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V
ref
?
IR
< p>4
?
R
4
R
(
V
BE
1
?
2
V
T
ln
n
)
(3.3)
R
2
R
< br>3
与式
(2.9)
相比，只要调节
R4/R2
的比值，就可以方便的调节基准电压的值。同
时也可以推导出
此时
Vref
的温度系数：
?
V
ref
?
T
<
/p>
结构的参数设计
2.1
帯隙部分的设计
?
R
4
?
V
BE
1< /p>
?
V
T
R
2
(
?
ln
n
)
(3.4)
R
< br>3
?
T
?
T
R
3
T=300K
时
，
Is=4.3e-18A
，
V
T
?
0
.
026
V
，
n=100
，
R3=100K
，
?
?
V
BE
V
T
?
ln
n
?
0.086ln
n
。
取
?
T
T
I<
/p>
q
1
?
I
R
3
?
V
T
ln
n
?
1
.
2
uA
(3.5)
R
3
V
BE
1
?
V
T
ln
I
q
1
I
S
?
0
.
685
V< /p>
(3.6)
代入式
(2.6)
得到，
?
V
ref
?
V
BE
1
?
0
，所以
?
?
1
.
67
。由式<
/p>
(3.4)
，令
?
T
?
T
?
V
BE
1
?
V
T
R
2
?
ln
n
?
0
(3.7)
?
T
?
T
R
3
?
1
.
67
?
0
.
086
R
2
ln
n
?
0
(3.8)
R
3
n=100
，
R3=100K
时，得到
R2=422K
。所以：
V
ref
?
R
4
R
R
(
V
BE
1
?
2
V
T
ln
n
)
?
1
.
19
< p>4
(3.9)
R
2
R
3
R
2
要求
Vref=1.8V
，则
< p>R4=633K。
流过
MOS
管的电流为：
I
?
I
q
1
< br>?
V
BE
1
?<
/p>
1
.
2
u
?
0
.
685
/
R
1
?
2
.
8
u
(3.10)
R
1
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< br>M1
，
M2
，
M3
管的尺寸 ：
(
W
2
I< /p>
)
1
，
?
?
1
.
38
(3.11)
2
，
3
L
?
P
C
OX
(
V
GS
?
V< /p>
TH
)
2
2.2
运放的设计
带隙电路中的放大器主要作用是使两个输入
点的电平相等，所以只要增益
足够就可以了，另外为了防止振荡，相位裕度也要足够，其
他指标不是特别重
要。图
3.3
是运放的核心部分。各部 分作用：
MA1
、
MA2
为第一级差分放大，
MA6
为第二级放大，
MA5
、
MA7
从带隙部分偏置电流分配给放大部分
MOS
管。
Cc
为密勒电容，将主次极点分离，也可增大相位裕度。
图
3. 3
二级
< p>Miller补偿
CMOS
运算放大器
直流开环电压增益：
A
o
?
A
1
A
2
?
?
g
m
2
g
m
6
(
r
o
2
||
r
o
4
)(
r
o
6
||
o
7
)
(3.12)
单位增益带宽：
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