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| 一种电流镜型的BICOMS带隙基准电压源 | | 作者：电子科技大学 闫海鹏 李平 罗和平 周小军 | | | 传统的带隙基准源电路中存在运算放大器,其性能指标在很大程度上受到运放失调电压(Offset)、运放电源电压抑制比(PSRR)等参数的限制。要想进一步其性能，就需在电路结构上进行改进。
为此，笔者设计了一种新型基准源电路，其采用电流镜复制技术，没有使用运算放大器，避免了运放输入失调和电源抑制比的限制，并利用深度负反馈技术，极大地提高了电源抑制比。
带运放传统带隙基准的电路
带隙基准源的电压是具有负温度系数的PN结正向导通电压VBE和具有正温度系数的热电压VT叠加而成的，即有：
VREF＝VBE＋mVT （1）
图1 带运放的传统带隙基准的电路 图1为传统的带运放的带隙基准源电路。其中，R1=R2，Q2的发射区面积是Q1的N倍。若不考虑运放输入失调电压，下式成立：
I1R1≈I2R2 （2）
同时，下列关系也成立：
VEB1＝VTln（I1/IS1） （3）
VEB2=VTln(I2/IS2) （4）
（5）
（6）
（7）
通过选取适当的R2/R3值，就可以得到对温度和电源电压不敏感的电压。如果输入失调电压不为零，则式（7）变为：
（8）
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。
带隙基准源工作过程分析
我们设计的不含运算放大器带隙基准源电路采用了自偏置电流镜结构（见图2）。
图2 带隙基准电压源电路 1 启动过程
电路上电后，由于CMOS反相器INV输出低电平信号，MP1导通，为了降低启动电路的功耗，MP1设计为长沟道器件，宽长比很小。此外，MN1和MN3尺寸相同，都工作在饱和区。MN2的栅极上有恒定压降，电源电压通过R5加在MN2的源极。这样，R2、MN2、Q2、Q3、R3、R4构成上电回路。随着电路启动VREF电压上升，MN2关断，基准源正常工作。
2 带隙核心电路工作原理
此带隙基准源电路工作于自偏置电流模式。其中，MN4、MN5、MN8和MN9尺寸相同；MP3和MP4尺寸相同； Q1和Q2是同类型晶体管；Q3和Q4是同类型晶体管；Q1和Q2的发射区面积是Q3和Q4的N倍。上电后，Q2、R3、R4支路和Q3、R4两支路的电流急剧上升，对应的双极型电流镜启动，由于Q3、R4支路电阻较小，电流上升幅度较大。Q3、Q4依次启动MN8、MN9和MP4、MP3。Q1、Q2启动MN4、MN5，两路电流在MP3处会合，经过相互调节，最后使每个电流镜中的电流趋向一致。
MP6和电路中的电流镜构成闭环负反馈，作为电流补偿。当流过双极型电流镜中电流上升时，MP3、MP4中的电流也上升，它们的栅极电位下降，则MP6栅极电位上升，其电流下降，促使双极型电流镜中电流下降；同理，当双极型电流镜中电流下降时，MP6促使双极型电流镜中的电流上升。同时，MP6和它下面电阻又构成电压采样负反馈，稳定VREF的输出电压，而且电路中无运算放大器，不受运放电源抑制比的限制，这样大大提高基准源的电源抑制比。电阻R1和电容C1，分别是补偿电容和调零电阻，对负反馈进行频率补偿。
不计三极管基极电流影响，有：
( 9 )
流过R4的电流为2VTlnN/R3，则VREF＝2R4VTlnN/R3＋VEB3。
这里可以取N=8，将上式对温度T求偏导，可以解出R4/R3=4.15。可见在室温下，要想得到零温度系数的基准电压VREF，电阻R4和R3的比值应为4.15。
值得一提的是，通常基准电压在1.25V左右, 这样经过一个发射结的电压降后, Q1和Q4的集电结正偏，其各个电极电压的HSPICE仿真波形如图3所示。
图3 正常工作时Q1,Q4各电极的电压曲线 图中，VB1和VC1分别是Q1的基极和集电极电压，VB4和VC4分别是Q4的基极和集电极电压，VREF是Q1和Q4的发射极电压。Q1和Q4集电结正偏电压均小于0.3V。
仿真结果
采用美国Celestry 0.5μ LDMOS HSPICE模型仿真，设定基准源工作条件为：温度范围-40～125℃；电源电压波动范围1.5～6.5V，仿真结果如图4、5所示。从仿真结果可以看到，在温度为-40～125℃时，基准源的最大电压变化为4mV；在电源电压为1.5～6.5V时，基准源电压为1.2345～1.2351V， ΔVREF≈0.6mV；TCF为19.629×10-6/℃,PSRR为76.7dB。
图4 带隙基准源的温度特性曲线 图5 带隙基准源的电源抑制特性曲线
版图设计
带隙基准电压源电路的版图设计对于其精度起着至关重要的作用，因此关键器件的布局要满足以下要求:
● Q1和Q2个数均为8，Q3和Q4个数均为1；为了减小失配，Q1和Q2均分为相同的两组，对称的分布在Q3和Q4 两侧。
● 电阻R4、R3使用温度系数较低的多晶电阻，采用等比例复制方法，在电阻的周围可增加dummy, 这样有助于提高电阻的匹配度。
● 电路中电流镜结构的MOSFET，也采用复制的方法，对称的排列，可增强电流镜复制技术的精度。
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发表于 2007-3-21 14:13:34
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发表于 2007-10-11 11:16:38
