一種低溫漂低功耗的簡易帶隙基準(zhǔn)電壓設(shè)計

一種低溫漂低功耗的簡易帶隙基準(zhǔn)電壓設(shè)計模擬電路設(shè)計常常用到電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)。這些基準(zhǔn)受電源、溫度或者工藝參數(shù)的影響很小，為電路提供一個相對穩(wěn)定的參考電壓或者電流，從而保證整個模擬電路穩(wěn)定工作。目前已經(jīng)出現(xiàn)的高性能帶隙基準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、低溫漂和低功耗，但這些電路中一般都有運放，調(diào)試難度較大；電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理不便理解。在一般的應(yīng)用中，如果對帶隙基準(zhǔn)電壓的要求不是特別高的情況下，完全可以采用一種更為簡潔的電路結(jié)構(gòu)。因此，這里介紹一模擬電路設(shè)計常常用到電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)。這些基準(zhǔn)受電源、溫度或者工藝參數(shù)的影響很小，為電路提供一個相對穩(wěn)定的參考電壓或者電流，從而保證整個模擬電路穩(wěn)定工作。目前已經(jīng)出現(xiàn)的高性能帶隙基準(zhǔn)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、低溫漂和低功耗，但這些電路中一般都有運放，調(diào)試難度較大；電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原理不便理解。在一般的應(yīng)用中，如果對帶隙基準(zhǔn)電壓的要求不是特別高的情況下，完全可以采用一種更為簡潔的電路結(jié)構(gòu)。因此，這里介紹一種簡易可行的帶隙基準(zhǔn)電壓的設(shè)計，利用PTAT電壓和雙極性晶體管發(fā)射結(jié)電壓的不同的溫度特性，獲取一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。低溫漂低功耗帶隙基準(zhǔn)電壓設(shè)計帶隙基準(zhǔn)電壓的設(shè)計目標(biāo)，就是建立一個與電源和溫度無關(guān)的直流電壓VREF。進一步將該目標(biāo)分為2個設(shè)計問題：設(shè)計與電源無關(guān)的偏置，獲取能抵消溫度影響的電壓值。圖1為其整體設(shè)計框圖。1．1與電源無關(guān)的偏置首先設(shè)計與電源無關(guān)的偏置。考慮采用2個NMOS管和電阻做近似的電流鏡做偏置，并充分利用電流鏡的“電流復(fù)制”特點，設(shè)計一個簡單的電流產(chǎn)生電路，如圖2所示。在這個電路中，因為柵漏短接的MOS管都是由一個電流源驅(qū)動，所以I0和I1幾乎與電源電壓無關(guān)。同時，2條支路的電流關(guān)系是確定的，只要已知I0，便可由寬長比得到左邊支路電流的大小。忽略溝道長度調(diào)制效應(yīng)的影響，支路電流的比值和MOS管寬長比的比值成正比。為了唯一確定電流，加入電阻R1。則有：VGS1=VGS2+I0R，1忽略體效應(yīng)，有：由式(1)可見，輸出電流與電源電壓無關(guān)，但仍與工藝和溫度有關(guān)1．2與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)帶隙基準(zhǔn)的核心，就是將有著正負相反溫度系數(shù)的電壓以適當(dāng)?shù)南禂?shù)加權(quán)，得到零溫度系數(shù)的電壓量。本設(shè)計中用到的負溫度系數(shù)電壓，是 PN結(jié)的正向電壓，也就是BJT的發(fā)射結(jié)正偏電壓。雙極型晶體管的集電極電流和基極發(fā)射極電壓的關(guān)系：式中，Is是雙極型晶體管的飽和電流，Eg是硅的禁帶寬度。當(dāng)VBE≈0．75v，T=300K時， 。注意，該溫度系數(shù)本身與溫度有關(guān)，可能會引起誤差。相同的雙極型晶體管在不等的電流密度下工作，它們的基極發(fā)射極電壓差值與絕對溫度成正比，利用這個關(guān)系，建立一個帶正溫度系數(shù)電壓。假設(shè)BJT的飽和電流，Is1=Is2=Is，集電極電流分別為nI0和I0，那么：根據(jù)以上分析，完全可以利用這2種帶有相反溫度系數(shù)的電壓設(shè)計一個零溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)。假設(shè)，已知，取α=1，則只需βlnn≈17．2，即可滿足 ，實現(xiàn)了零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓VREF。1．3參數(shù)確定電路整體設(shè)計如圖3所示。其輸出電壓的表達式：式中，n是VQ1的BJT并聯(lián)數(shù)，m是流經(jīng)R2和R1的電流比值，等于Vp3和Vp1的寬長比。在調(diào)試電路時應(yīng)該注意，Vp1、Vp2、VN1、VN2和電阻組成提供偏置的電流源，因此Vp1和Vp2、VN1和VN2應(yīng)該盡量匹配，對稱設(shè)計，且管子尺寸稍大。同時，使VN1和VN2的源極電壓值盡可能相等。在原理設(shè)計中，多次進行理性化估計，實際測試中存在的誤差在所難免。為了達到最優(yōu)效果，必須在測試中不斷修正電路參數(shù)，然后再做測試。同時也應(yīng)意識到，任何一個電路的各個指標(biāo)都是相互影響相互制約的，應(yīng)根據(jù)需要調(diào)整，以保證整體設(shè)計效果。仿真結(jié)果采用0．35μmBiCMOS工藝模型對電路進行仿真，輸出電壓隨溫度變化曲線如圖4所示。當(dāng)電壓提供5V供電，溫度從O～70℃變化時，電壓始終在1．13532～1．13656V范圍內(nèi)變化，測得溫漂系數(shù)為16．4ppm／℃。當(dāng)電源電壓從5～6V變化時，輸出電壓變化量為1．3mV，電源抑制比達57．7dB。噪聲分析如圖5所示，用軟件對曲線進行積分，可得到電路總的輸出噪聲為140．3μV。同時，電路總電流控制在60μA左右，功耗為300．6μW。結(jié)束語介紹了一種結(jié)構(gòu)簡易，原理清晰的帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計過程。采用不受電源影響的串聯(lián)電流鏡做偏置，利用PTAT電壓和基極發(fā)射極電壓的相反溫度系數(shù)特性構(gòu)造輸出電壓。0～70~C范圍內(nèi)，溫漂系數(shù)為16．4ppm／℃。供電從5～6V變化時，電源抑制比達57．7dB。總輸出噪聲為140．3μV，功耗為300．6μW。參