帶隙基準(zhǔn)電壓源(Bandgap)設(shè)計(jì)范例

1、NOJBandgap(C)圖1.2Bandgap模塊等效原理圖止常工作時(shí)，Bandgap模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、高精度的1.28v的基準(zhǔn)電壓,并為其它電路模塊提供穩(wěn)定的偏置電流。Vin：整個(gè)模塊的輸入電壓。ENB、BIAS_EN、BIAS2.EN：使能電路輸出的控制信號(hào)，控制著本電路工作與否。ENB為全局使能信號(hào)，低電平有效；BIAS_EN為產(chǎn)生偏置電流BIAS的使能信號(hào)，高電平有效；BIAS2.EN為產(chǎn)生偏置電流BIAS2的使能信號(hào)，高電平有效。BIAS：與電源相對(duì)無關(guān)的電流偏置；BIAS2：與電源相對(duì)無關(guān)的電流偏置；VREF：輸出的1.28V帶隙基準(zhǔn)電壓。VIN、ENB、BIAS_EN、BIA

2、S2_EN為輸入信號(hào)，VREF、BIAS、BIAS2為輸出信號(hào)。*projectla35902.5J2J43=22.72.21.71.5J2J2-0_丁心(lin)(TIME；圖1.3BANDGAP模塊輸入輸出時(shí)序關(guān)系圖BANDGAP模塊是一個(gè)帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。帶隙基準(zhǔn)的工作原理是根據(jù)硅材料的帶隙電壓與電壓和溫度無關(guān)的特性，利用Vbe的止溫度系數(shù)與雙極型晶體管Vbe的負(fù)溫度系數(shù)相互抵消，實(shí)現(xiàn)低溫漂、高精度的基準(zhǔn)電壓。雙極型晶體管提供發(fā)射極偏壓Vbe；由兩個(gè)晶體管之間的Vbe產(chǎn)生通過電阻網(wǎng)絡(luò)將Vt放大a倍；最后將兩個(gè)電壓相加，即VREF=VBE+aVT,適當(dāng)選擇放大倍數(shù)a,使兩個(gè)電壓的溫度漂移相互抵

3、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(zhǔn)。下面詳細(xì)推導(dǎo)這個(gè)原理。一般二極管上電流和電壓的關(guān)系為：I=Is(egV/kT-V)(1.1)當(dāng)VbekT/q時(shí)，Z厶嚴(yán)肚心(1.2)kT其中V7=為熱電壓，k是Boltzmann常數(shù)，q是電荷量。q圖1.2(b)是參考電壓產(chǎn)生的實(shí)際等效架構(gòu)電路，Rw、R20、R21、Qu和Q12、Q19構(gòu)成帶隙電壓產(chǎn)生器的主題部分，由QxlO、Qx8、Q19、Qx7、Q10以及Q18組成了放大器及補(bǔ)償電路，保證了參考電壓輸出的穩(wěn)定。由運(yùn)算放大器的性質(zhì)，得：(1.3)式中，Ae19、Ae12是Q19、Q12管的發(fā)射區(qū)面積,它們的比值為N:lo由于Va=Vb，1

4、1=12,代入(3)式得匕2嚴(yán)冷ln(W)(1.4)故Vref為=V+v+v十V=V+（RI9+RM+R2（）yin（N）R21REFBE11丁“R21TVR20丁VR9丫亞11丁、TUliyJ(1.5)從上式中可得到基準(zhǔn)電壓只與PN結(jié)的止向壓降、電阻的比值以及Qd和Ql9的發(fā)射區(qū)面積比有關(guān)，因此在實(shí)際的工藝制作中將會(huì)有很高的精度。當(dāng)基準(zhǔn)建立之后，基準(zhǔn)電壓與輸入電壓無關(guān)。第一項(xiàng)Veb具有負(fù)的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約為-2mV/C,第二項(xiàng)Vt具有止的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約為+0.087mV/C,通過設(shè)定合適的工作點(diǎn)，便可以使兩項(xiàng)之和在某一溫度下達(dá)到零溫度系數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的電壓基準(zhǔn)。圖

5、2(a)中Ibias是基準(zhǔn)提供給其它模塊的電流，它與微電流源產(chǎn)生的電流Iref成比例關(guān)系，10為提供給參考電壓產(chǎn)生模塊的電流源，它同微電流源同樣成一定的比例關(guān)系，而對(duì)丁微電流源我們有：TOC o 1-5 h z%25=Vbe26十Iref*Rnewl(1.6)Vbe=VtL)(1.7)AVtIo(嚴(yán))因此Ircf=，：2=VTlnN/Rncwl(1.8)Kncwl對(duì)丁圖1.2(c)中的Ibias2,它也是bandgap模塊提供給外界模塊的電流源，同樣的也跟微電流成比例關(guān)系變化，這里不再論述。無論對(duì)丁止的或負(fù)的溫度系數(shù)的量，我們推導(dǎo)出的與溫度無關(guān)的電壓都是依賴丁雙極型器件的指數(shù)特性。所以必須在C

6、MOS工藝中找到具有這種特性的結(jié)構(gòu)。在N阱工藝中，PNP晶體管可以按圖1.4所示結(jié)構(gòu)構(gòu)成。圖1.4CMOS工藝中PNP雙極型晶體管的實(shí)現(xiàn)N阱中的P+區(qū)（與PMOS的源漏區(qū)相同）作為發(fā)射區(qū)，N阱本身作為基區(qū),P型襯底作為PNP管的集電區(qū)，并且必然接到最負(fù)的電源（通常為地）。仿真結(jié)果如下：To.ltX(lie)1：7CITS)圖1.5帶隙基準(zhǔn)特性帶隙基準(zhǔn)的實(shí)際電路如圖1所示。整個(gè)Bandgap模塊包括三個(gè)部分：電流偏置IBias產(chǎn)生電路、電壓基準(zhǔn)VREF產(chǎn)生電路、電流偏置IBias2產(chǎn)生電路。電流偏置IBias產(chǎn)生電路（圖2（a）：通過熱電壓產(chǎn)生與電源電壓無關(guān)而與溫度有關(guān)微電流偏置。其主體電路由P

7、7、P8、Q26、Q25、R12、R13、R14、Rnewl組成。由于Q26的發(fā)射極而積為Q25的兩倍，當(dāng)流過它們的電流相等時(shí)產(chǎn)生?Vbe，該電壓加在電阻Rnewl的兩端,產(chǎn)生電流IBias；R12、P7和R13、P8組成電流鏡，保證Q26和Q25的射極電流相等。電壓基準(zhǔn)VREF產(chǎn)生電路（圖2（b）：電路的核心為射極耦合的三極管Q12和Q19,其中Q12由10個(gè)NPN管組成；有源電流鏡QX8QX10用來保證流過Q12和Q19的電流相等；R19、R20、R21和二極管連接的Q11組成分壓網(wǎng)絡(luò),將Q12、Q19產(chǎn)生的？Vbe放大(R19+R20+R21)/R21倍后與Vbeh和加，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓VR

8、EF；放大管QX7、Q18和負(fù)載管Q10組成符合放大電路，將lew和Ici2的差值放大，反饋到分壓網(wǎng)路中的R21,從而調(diào)整Q12、Q19的工作點(diǎn)，保證lew等于Ici2；電容C2和R23用來進(jìn)行頻率補(bǔ)償。電流偏置IBias2產(chǎn)生電路(圖2(c)：由P39、Q3、R8組成。Q3的基極連接VREF,其射極電位即R8的一端電位Veq3=VREF-Vbeq3,與電源電壓無關(guān),從而流過電阻R8的電流與電源無關(guān)，即IBias2與電源無關(guān)。1.使能原理：ENB高電平時(shí)，使能關(guān)斷有效。當(dāng)ENB為高電平時(shí)，使能管N15、N18、N17工作，則N19的漏極電壓、P8的漏極電壓、VREF被拉到低電平，電路關(guān)斷。BI

9、AS.EN低電平時(shí)，使能關(guān)斷有效。當(dāng)BIAS2_EN低電平時(shí)，使能管PI3工作，P7、P1的柵極即Bias為高電平，電流偏置為0,同時(shí)，基準(zhǔn)電壓VREF為零電平。BIAS2_EN低電平時(shí)，使能關(guān)斷有效。當(dāng)BIAS_EN低電平時(shí)，使能管P34工作，Bias2為高電平，電流偏置IBias2為0。2.啟動(dòng)原理P14、R15、N19、N16組成啟動(dòng)電路。啟動(dòng)過程：ENB為低電平，當(dāng)未啟動(dòng)時(shí)，P7、P8兩支路的電流為0,此時(shí)P8的漏極電壓為0電位,N19不通,N19的漏極為高電位，此時(shí)N16管導(dǎo)通，形成從電源到地的通路R12、P7、N16,使P7有電流流過，從而打破0電流的狀態(tài)；之后P8漏極電位上升，N

10、19導(dǎo)通，N16截止，啟動(dòng)過程結(jié)束。DC偏置電流IBias2的DC計(jì)算：1)忽略襯底偏置效應(yīng)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)的情況下假設(shè)流過P7、P8的源漏電流分別為II、12,貝I(1.9)=VC7-(VDD-/1/?12)-VrH72I2=JVG8-(VDD-Z2/?l3)-VrH82(1.10)其中心.8由上面兩式得到:=VG1-(%-/凡)-V7W7（1.11）=-【-（%-厶知）-卩杯1（1.12）兩式相減，則(1.13)則I=b又由于Q26的射極而積為Q25的2倍，所以_AVg_V7.h2BIAS1RRnewnewl(1.14)在室溫下，VT=0.026VT0.018ABIAS_Anew2)當(dāng)考

11、慮溝道長度調(diào)制效應(yīng)(115)(1.16)I.=心咕一(-/.2)-VrH72l+X(VG7-(VDD-/,/?12)I嚴(yán)KJ%-少“-爲(wèi)心）-即1十九（匕叱+婦心-+食心）另外I凡“嚴(yán)嶺倔2?）1-17）由上面三個(gè)式子知道11.12和電源電壓Vdd有關(guān)且大概是1次幕級(jí)數(shù)的關(guān)系。基準(zhǔn)電壓VREF產(chǎn)生電路的DC計(jì)算：假設(shè)放大器QX7、Q18的增益足夠的大,則流過Q12和Q19的電流相等,由TQ12由10個(gè)發(fā)射極而積為單位面積的NPN組成(N=10)，則Vbe）=VTnN（1.18）經(jīng)過分壓網(wǎng)路發(fā)大后和Vbeii疊加后產(chǎn)生VREF：REF/?19十/?20十/?21R2（1.19）在室溫(25C)下,（1.20）（1.21）心_%_G+叫-EJqt聖L=tnN=+0.2mV/KdTq若要在25C實(shí)現(xiàn)溫度系數(shù)為零，則要求R19+R20十/?21=10R21即R9+R20=9R2_%-畑丿1BIAS2_-REFERENCEBook:PaulR.Gray,PaulJ.Hurst,StephenH.Lewiset.AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuits（4lhEditio