高电源电压抑制比基准电压源设计

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1、高电源电压抑制比基准电压源设计　　摘要：在此通过对带隙基准电压源电路进行建模分析，针对逆变电路的中低频使用环境，设计了一个应用于高压逆变器电路中的高电源电压抑制比，低温度系数的带隙基准电压源。该电路采用1μm，700V高压CMOS工艺，在5V供电电压的基础上，采用一阶温度补偿，并通过设计高开环增益共源共栅两级放大器来提高电源电压抑制比，同时使用宽幅镜像电流偏置解决因共源共栅引起的输出摆幅变小的问题。基准电压源正常输出电压为2.394V，温度系数为8ppm/℃，中低频电压抑制比均可达到-112dB。关键词：高电源电压抑制比；带隙基准

2、；基准电压源；低温度系数；一阶补偿中图分类号：TN432?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2014）06?0132?040引言7基准电压源模块因其输出稳定，与电源电压、温度等变化无关，广泛应用于模拟和数模混合电路中，例如A/D，D/A转换器，逆变器等[1]。应用于高压逆变器中的基准电压源，为其他模块提供偏置电流和作为比较器等的基准电压使用，对此要求其在温度和电压变化的时候仍能保持其输出电压稳定，否则会引起电路出现逻辑混乱，使系统不能正常工作，甚至发生过压击穿等事故。这样在高压中低频环境下需要一个有良好温度系数和高电

3、源电压抑制比的基准电压源的重要性就不言而喻。传统的基准电压源在0～70℃的温度范围内产生温度系数为1×10-4[/°C]的基准电压，电压抑制比在-80～-70dB，且随着频率升高在103Hz左右迅速下降，难以达到逆变器电路要求。本文采用无锡上华1μm、700V高压CMOS工艺进行设计与仿真，通过推导分析基准电压源电压抑制比的影响因数，对核心电路进行了改进并设计了一个高开环放大倍数，高电源抑制比的放大器，以减小温度系数并提高基准电压源的电压抑制比。此基准电压源的温度系数达到8ppm/℃，交流低频电压抑制比达到-112dB，并在中高频

4、都能保持较高的电压抑制比。1改进的基准电压源电路利用双极晶体管[Vbe]电压的负温度系数和不同电流密度偏置下两个双极晶体管电压差[Vbe]产生的正温度系数特性，可以获得零温度系数基准电压[2]。如图1所示，是经过改进的带隙基准电压源核心电路。使用两个双极晶体管并联来消除放大器失配的影响，用共源共栅电流源来保持每个支路的电流有相同的温度系数，并且利用共源共栅的电压屏蔽特性来解决因MOS管沟道长度调制所产生的对电源电压的依赖性[2?3]。7如图1所示，放大器工作在深度负反馈下，以保持[Va]和[Vb]相等，即[Va=Vb]，同时[Va

5、=2Vbe]，[Vb=2Vbe3+IR2]，可得到：当T=300K时，[?VBE?T=-1.5mV/K]，[?VT?T=+][0.087mV/K]。此时，令双极晶体管Q3，Q4的发射极面积为Q1，Q2的N倍，I1，I2的电流为I3，I4的M倍，再适当选取[R1]，[R2]的值，使[lnIC2AE3IS3AE2（1+R1R2）=1.5mV/K0.087mV/K≈17.2，]则可得到零温度系数输出电压[Vref]。2电源电压抑制比分析启动电路和偏置电路对基准电压源的电源抑制比不产生影响，电源电压抑制比只与放大器和带隙基准核心电路有关，

6、对于这两部分的结构如图2所示。其中，[A1（s）]为放大器输入到输出的传递函数，即放大器的开环放大倍数，[V1]为放大器的输出，[Add（s）]为电源电压对放大器输出[V1]的传递函数，[A2_va（s）]，[A2_vref（s）]分别为放大器的输出[V1]到端点a，[Vref]的传递函数，[Add_va（s）]，[Add_vref（s）]为其相对应电源电压[Vdd]到a，[Vref]端的传递函数，[A3（s）]为[Vref]端到b的传递函数。想要得到高电压抑制比的带隙基准电压源，除调整带隙基准核心电路器件参数外，还需要设计高开环

7、增益、高电压抑制比的放大器，即[A1（0）]要大，[Add（0）]要小。73带隙基准源设计为了得到高电源抑制比的带隙基准源，设计如图3所示的带隙基准电压源电路。其中M1?M8及Q1?Q4组成带隙基准电路，M9?M32为本文设计的高开环增益、高电压抑制比的放大器。M23?M32构成运算放大器电路。为了提高增益采用两级放大。第一级为差分放大，使用共源共栅结构作为负载来提高增益。第二级采用共源级放大以继续提高增益，同时也扩展输出摆幅。C1为米勒电容，它使放大器的高频极点远离主要极点，保持放大器稳定工作，同时引入M30进行超前补偿，使放大

8、器有足够的相位裕度。M9?M22构成偏置电路。因为使用共源共栅结构会限制输出摆幅，偏置电压的设计应尽量使共源共栅的每个MOS管都处于饱和区边缘，以使输出摆幅达到最大。所以设计的偏置电路采用宽幅电流镜来替代普通的电流镜，其提供的偏置电压能使共源共栅的