低壓CM0S帶隙基準電壓源設計
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時(shí)間：2010-04-28
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
基準電壓源廣泛應用于電源調節器、A／D和D／A轉換器、數據采集系統，以及各種測量設備中。近年來(lái)，隨著(zhù)微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，低壓低功耗已成為當今電路設計的重要標準之一。比如，在一些使用電池的系統中，要求電源電壓在3 V以下。因此，作為電源調節器、A／D和D／A轉換器等電路核心功能模塊之一的電壓基準源，必然要求在低電源電壓下工作。
在傳統的帶隙基準源設計中，輸出電壓常在1．25 V左右，這就限制了最小電源電壓。另一方面，共集電極的寄生BJT和運算放大器的共模輸入電壓，也限制了PTAT電流生成環(huán)路的低壓設計。近年來(lái)，一些文獻力圖解決這方面的問(wèn)題。歸納起來(lái)，前一問(wèn)題可以通過(guò)合適的電阻分壓來(lái)實(shí)現；第二個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)BiCMOS工藝來(lái)實(shí)現，或通過(guò)低閾值電壓的MOS器件來(lái)實(shí)現，但工藝上的難度以及設計成本將上升。
基于上面的考慮，本文首先對傳統的帶隙電壓源原理進(jìn)行分析，然后提出了一種比較廉價(jià)且性能較高的低壓帶隙基準電壓源，采用電流反饋、一級溫度補償技術(shù)設計了低壓CMOS帶隙基準源電路，使其電路能工作在較低的電壓下。本文介紹這種帶隙電壓基準源的設計原理，給出了電路的仿真結果，并對結果進(jìn)行了分析。并基于CSMC 0．5μm Double Poly Mix Process對電路進(jìn)行了仿真，得到理想的結果。
l 低壓COMS基準電壓源設計
1．1 傳統的帶隙基準源
圖1為帶隙基準電壓源的原理示意圖。雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE，具有負的溫度系數，其溫度系數一般為-2．2 mV／K。而熱電壓VT具有正的溫度系數，其溫度系數在室溫下為十0．085 V／K。將VT乘以常數K并和VBE相加就得到輸出電壓VREF：
將式(1)對溫度T微分并代入VBE和VT的溫度系數可求得K，它使VREF的溫度系數在理論上為零。VBE受電源電壓變化的影響很小，因而帶隙基準電壓的輸出電壓受電源的影響也很小。
圖2是典型的CMOS帶隙電壓基準源電路。兩個(gè)PNP管Q1，Q2的基極一發(fā)射極電壓差△VBE：
式中：J1和J2是流過(guò)Ql和Q2的電流密度。運算放大器的作用使電路處于深度負反饋狀態(tài)，使得節點(diǎn)1和節點(diǎn)2的電壓相等。即：
由圖2可得：
通過(guò)M1和M2的鏡像作用，使得I1和I2相等，結合式(4)和式(5)可得：
式中；A1和A2是Q1和Q2的發(fā)射極面積。比較式(5)和式(1)，可得常數K為：
在實(shí)際設計中，K值即為式(7)表示。
傳統帶隙基準源結構能輸出比較精確的電壓，但其電源電壓較高(大于3 V)，且基準輸出范圍有限(1．2 V以上)。要在1．8 V以下的電源電壓得到1．2 V以下的精確基準電壓，就必須對基準源結構上進(jìn)行改進(jìn)和提高。
1．2 低壓COMS基準電壓源的電路設計
本設計基于CSMC-O．5μm-CMOS工藝(NMOS的閾值電壓為0．536 V，PMOS的閾值電壓為-0．736 V)。采用一級溫度補償、電流反饋技術(shù)設計的低壓帶隙基準源電路如圖3所示。低壓帶隙基準源的電流不僅用于提供基準輸出所需的電流，也用于產(chǎn)生差分放大器所需的電流源偏置電壓，簡(jiǎn)化了電路和版圖設計。
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