低电压带隙基准电压源设计

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1、低电压带隙基准电压源设计基准电压是数模混合电路设计屮一个不可缺少的参数，而带隙基准电压源乂是产生这个电压的最广泛的解决方案。在大量手持设备应用的今天，低功耗的设计已成为现今电路设计的一•大趋势。随着CMOS工艺尺寸的下降，数字电路的功耗和而积会显箸下降，但电源电压的下降对模拟电路的设计捉出新的挑战。传统的带隙基准电压源结构不再适应电源电压的要求，所以，新的低电压设计方案应运而生。木文采用-•种低电压带隙基准结构。在TSMCO.13nmCM0SI艺条件下完成，包括核心电路、运算放大器、偏置及启动电路的设计，并用Cad

2、enceSpectre对电路进行了仿真验证。1传统带隙基准电压源的工作原理传统带隙基准电压源的工作原理是利用两个温度系数相抵消來产生一个零温度系数的直流电压。图1所示是传统的带隙基准电压源的核心部分的结构。其中双极型品体管Q2的而积是Q1的n倍。图1传统带隙基准源结构假设运算放大器的增益足够高，在忽略电路失调的情况下，其输入端的电平近似相等，则有:VBE1二VBE2+IR1(1)(4)(5)(6)其中，VBE具有负温度系数，VT具有正温度系数，这样，通过调节n和R2/R1,就可以使Vref得到一个零温度系数的值。一

3、般在室温下，有：叭何〜-1・5mV/K0.087mV/K为了使电沪〜-1.5+0.087^(Inn)=0diK

4、则：(7)人^1^+17・2/严1・25V但在0.13um的CMOS工艺下，低电压MOS管的供电电压在1.2V左右，因此，传统的带隙基准电压源结构已不再适川。2低电源带隙基准电压源的工作原理低电源电压下的带隙基准电压源的核心思想与传统结构的带隙基准相同，也是借助工艺参数随温度变化的特性來产生止负两种温度系数的电压，从而达到零温度系数的FI的。图2所示是低电压下带隙基准电压源的核心部分电路，包括基准电压产生

5、部分和启动电路部分。2低电源电压下的带隙基准电压源结构2.1带隙基准源电路山于放人器的输入端电平近似相等，故山电流镜像原理可得到如下等式:!二%；厂％2

6、%—几RR、R?则：RR人严眉％+彳人(Inn)而在室温下有:(9)(10)(11)这样,适当选择R2/R1、R2/R3以及n的值,即可得到低电源电压下的基准电平。基于版图的设计考虑，可选择n为8,这样可以更好地实现三极管的匹配，减小误差。该电流源使用共源共删结构，从而可以提高电流拷贝的精度以及减小电源电压对Vref的影响，并在一定程度上冇利于PSRRo虽然CM

7、OS工艺屮的电阻绝对值会有偏差，但这里川到的是电阻的比值，所以要尽可能的做到比值的准确。具体方法是把Rl、R2、R3都用单位电阻并联串联來表示。版图设计时，应尽量把这些电阻放在一起，并在周围加上dummy,以最大限度地减小工艺偏差对电阻比值的影响。2.2启动电路电路开启前，町将Pup置为0,开关Ml关断，反相器输入端为咼电平，开关M2不开；当信号Pup置为1时，开关Ml打开，反相器输入端电压被拉低，使开关M2开启，P点电压被拉低，带隙基准电路部分开始工作，M3随之开启；此后由于M3开始工作，电阻Rstup±流过的电

8、流把反相器输入端电位抬高，超过反相器反向电压时。输岀为低电位，开关M2关闭，启动电路结束工作。M3与Rstup的选取是启动电路值得注意的地方，M3镜像而來的电流与Rstup的阻值乘积得到的电压值必须在P点电压稳定前足以使反相器输出低电压，并使开关M2关断。3仿真分析图3为基准电压幅度随温度变化的曲线，可以看到，从-30〜100°C,Vref基本在3mV以内波动，i吴差范围在5%以内。图3y应的温度变化曲线>£)出沖黑w图4所示是木设计的PSRR仿真结果。从图4可以看出，在低频时，其PSRR约为-81dB。55-5-

9、6(ap)XHSd•75-10°10*103IO5IO410'106频率(Hz)14PSRR仿真结果图5是本设计的电源电压扫描仿真结果。由图可见，其电源电压在1〜1・8VZ间，基准电路都能很稳定的输出约600mV的电圧基准值。■■87•■oO6d■o>£)出即处撫0.1-/0.0*•■1idb10.250.500.751001.251.50]752.00电源电压(V)图5电源电压扫描仿真结果4结束语本文给出了一个低电压供电时的带隙基准电圧源电路的设计方法。该电路通过对传统带隙基准电路的改进，使输岀基准电压在600m

10、V仍然能满足零温度系数。本设计基于TSMC0.13umC-MOSI艺。通过仿真，结果显示：该电路在-30〜100°C范用内的温度系数为12X10-6°C,低频下的PSRR约为-81dB。在供电为1〜1.8V范围内，电路能够工作正常，输出电压约600mVo