一种高精度带隙基准电压源电路的实现

1　引言

近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术一起得到了飞速的发展，芯片系统集成（sys2temonchip）技术已经受到学术界及工业界广泛关注。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器，滤波器电路以及锁相环等电路提出了更高精度及速度的要求。由于带隙基准电压、电流源电路的输出电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响，这就使得片内集成的带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。传统的基准电压源电路在0～70℃的温度范围内能产生温度系数为10-4?℃的基准电压，而且由于电路中存在运算放大器，基准源的指标在很大程度上受到运放失调电压（Offset）、电源电压抑制比（PSRR）等的限制，要想进一步提高电路的性能需在电路结构上进行改进。

本文采用自偏压电流源电路，去掉运算放大器，利用MOS管电流镜技术补偿其输出电压所经过的三极管的基极电流获得精确的镜像电流，得到了在-20～+80℃温度范围内具有3×10-6?℃的温度系数的基准电压，并在该电路中采用自偏压、叠加式（Cas2code）结构电流源，将基准电压源的电源电压抑制比提高到了-85dB.

2　电路结构

2.1　传统的带隙基准电压源电路

理想的带隙基准电压源电路的输出电压几乎不受温度变化、工艺变化、电源电压波动等因素的影响。这就要求我们在带隙基准电路中加入具有负温度系数的二极管以及正温度系数的热电压Vt,将这两部分电压适当相加，可得到如下所示的输出电压：

将（1）式对温度微分，得到二极管电压在室温时的温度系数为-212mV?℃，而热电压Vt（Vt=KT?q）在室温时的温度系数为+01085mV?℃，再将这两个温度系数代入（1）式，可求得基准电压具有零温度系数时K的值。传统的带隙基准电压源电路结构如图1所示。

图1中运算放大器的作用是在电路处于深度负反馈的情况下，使a,b两点的电压相等，若R1=R2,则会使得I1=I2,并满足：

适当选取R 2, R 3 和n 值的大小， 即可得到具有零温度系数的输出电压V ref. 由于输入MO S 管的非对称性， 运算放大器存在有输入失调电压， 也就是当运放的输入电压为零时， 其输出电压不为零。 当运放的输入电压为V OS时， 我们可以得到基准电压的输出如（7） 式所示：

此时基准源输出电压的电源电压抑制比完全受限于运算放大器的电源电压抑制比的大小。

2.2　高精度带隙基准电压、电流源电路

由于传统的带隙基准电压源电路中包括运算放大器，使得输出的基准电压Vref存在失调电压，同时其电源电压抑制比在很大的程度上受限于运算放大器，因而使得传统带隙基准电压源电路的性能指标的进一步提高受到很大限制。我们在传统带隙基准电压源的基础上进一步改进，去掉电路中的运算放大器，采用自偏压、叠加式结构的电流源、电流镜电路，同时通过补偿输出基准电压所经过的三极管的基极电流获得精确的镜像电流源设计得到了具有3×10-6?℃的温度系数和-85dB的电源电压抑制比的带隙基准电压源电路，如图2所示。由于图2电路中的pnp三极管是采用CMOS工艺做成，其衬底接地，放大倍数很小（B=315左右），所以，其基极所分掉的电流就很大（Ib=Ic?B），而且其电流成分复杂，温度系数很难得到有效补偿。由$Vbe在电阻R1上所产生的基准电流通过电流镜复制后流入到电阻R2上，此时，还存在有三极管Q3的基极电流流入到电阻R2上，使得流经电阻R2上的电流不能和源电流得到精确匹配，从而导致电阻R1,R2也无法得到精确匹配。

图2　高精度带隙基准电压、电流源电路

在图2所示的带隙基准电压、电流源电路中，三极管Q1,Q2,Q3,电阻R1,R2产生带隙基准电压。电路中由于采用了叠加式结构的自偏压电流源电路（MOS管M1～M8），不仅能在电路工作状态下保证A,B两点的电压相等，还能使输出的基准电压Vref具有较高的电源电压抑制比。电路中由三极管Q1,Q2所产生的Vbe（基极和发射极电压差）电压之差，$Vbe作用在电阻R1上形成基准电流（50LA），通过电流镜复制技术，将该电流复制放大8倍（400LA）后在电阻R2上产生压降，再经过三极管Q3的pn结形成得到基准电压Vref.此外，电路中的电阻R4,R5的阻值为50k8,和接成电容方式的大尺寸MOS管M36一起主要对输出基准电压起滤波作用。

电路中的三极管Q4以及接成电流源、电流镜方式的MOS管M15,M16主要用来分流三极管Q3上的基极电流，从而使R2得到精确的镜像电流后得到精度进一步提升的输出基准电压Vref.由于三极管Q3上的电流是Q4上电流的两倍，要完全分流Q3管上的基极电流，必须在保证M15,M16管的宽/长（W/L）比完全一样之外，M15管的个数还应为M16管的两倍。

电路中的MOS管M23～M31、三极管Q5以及电阻R3主要用来产生基准电流源电路，然后通过叠加式结构的电流镜（M44～M46）形成基准电流Ibias1,Ibias2.

电路中MOS管M34,M35的沟道长度L较大，沟道宽度W较小，即其宽？长比很小。在电路正常工作过程时，这两个管子主要工作在线性区作阻值较大的有源电阻之用，这部分电路连同MOS管M37～M40主要用于基准电压源电路的启动，因为自偏压带隙基准电压源电路存在有两种稳定状态，一种是电路的非工作状态，另一种是工作状态。电路中的PDNN是对电路进行关断之用，基准电压源电路正常工作时，PDNN接低电平，电路关断时接高电平。

在电路中电源电压上电的一瞬间，由于串联起来的MOS管M34,M35的VGS较大，C点的电位立即被拉上去，MOS管M37～M40立即导通，电路中D,E两点的电压相应地被拉低，有电流从MOS管M8,M6以及M20,M17,M18中流过，电路中的工作点会立即建立起来。当电路处于稳定工作状态时，由于作为源电阻之用的MOS管M34,M35的阻值很大，流过这些管子中的电流会很小（6LA左右），使得C点的电压很低，通常为27mV左右，此时MOS管M37～M40能可靠地截止。