帶隙電壓基準源的設計與分析

摘要 介紹了基準源的發(fā)展和基本工作原理以及目前較常用的帶隙基準源電路結構。設計了一種基于Banba結構的基準源電路，重點(diǎn)對自啟動(dòng)電路及放大電路部分進(jìn)行了分析，得到并分析了輸出電壓與溫度的關(guān)系。文中對帶隙電壓基準源的設計與分析，可以為電壓基準源相關(guān)的設計人員提供參考?？梢詾榇?lián)型穩壓電路、A／D和D／A轉化器提供基準電壓，也是大多數傳感器的穩壓供電電源或激勵源。
關(guān)鍵詞 基準源；Banba結構；帶隙基準源；輸出電壓

基準源廣泛應用于各種模擬集成電路、數?；旌闲盘柤呻娐泛拖到y集成芯片中，其精度和穩定性直接決定整個(gè)系統的精度。在模／數轉換器(ADC)、數／模轉換器(DAC)、動(dòng)態(tài)存儲器(DRAM)等集成電路設計中，低溫度系數、高電源抑制比(PSRR)的基準源設計十分關(guān)鍵。
在集成電路工藝發(fā)展早期，基準源主要采用齊納基準源實(shí)現，如圖1(a)所示。它利用了齊納二極管被反向擊穿時(shí)兩端的電壓。由于半導體表面的沾污等封裝原因，齊納二極管噪聲嚴重且不穩定。之后人們把齊納結移動(dòng)到表面以下，支撐掩埋型齊納基準源，噪聲和穩定性有較大改觀(guān)，如圖1(b)所示。其缺點(diǎn)：首先齊納二極管正常工作電壓在6～8 V，不能應用于低電壓電路；并且高精度的齊納二極管對工藝要求嚴格、造價(jià)相對較高。

1971年，Widlar首次提出帶隙基準結構。它利用VBE的正溫度系數和△VBE的負溫度系數特性，兩者相加可得零溫度系數。相比齊納基準源，Widlar型帶隙基準源具有更低的輸出電壓，更小的噪聲，更好的穩定性。接下來(lái)的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分別提出了改進(jìn)帶隙基準結構。新的結構中將運算放大器用于電壓鉗位，提高了基準輸出電壓的精度。
以上經(jīng)典結構奠定了帶隙基準理論的基礎。文中介紹帶隙基準源的基本原理及其基本結構，設計了一種基于Banba結構的帶隙基準源，相對于Banba結構，增加了自啟動(dòng)電路模塊及放大電路模塊，使其可以自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)并增加其穩定性。

1 帶隙基準源工作原理
由于帶隙電壓基準源能夠實(shí)現高電源抑制比和低溫度系數，是目前各種基準電壓源電路中性能最佳的基準源電路。
為得到與溫度無(wú)關(guān)的電壓源，其基本思路是將具有負溫度系數的雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE與具有正溫度系數的雙極晶體管VBE的差值△VBE以不同權重相加，使△VBE的溫度系數剛好抵消VBE的溫度系數，得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準電壓。圖2為一個(gè)基本的CMOS帶隙基準源結構電路。

其中，Vref為輸出的基準電壓；VBE為圖2中Q1的基極-發(fā)射極電壓；R1，R2在電路中的位置如圖2所示。