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1、计算机技术与应用进展.2( X拓带隙基准电压源原理分析与应用孟少鹏柯导明安徽大学电子科学与技术学院陈军宁合肥23( X )39摘要:本文在传统的带陈电压源原理进行分析和总结,着重介绍了运放的失调电压对电压派愉出的影响,给出了目前减小失调影响的几种方法,并介绍了利用m共T电流产生的带隙基准电压电路.最后,介绍了在亚深微米集成电路技 术不断发展下,带隙基准源的发展方向.关健词:带陈基准源温度系数电源抑制比1已!坦全 1J.习作为A/D、D/A转换器以及通信电路中的一个基本组件,基准源始终是集成电路中一个重要的单元模块。它的温度稳定性以及抗噪声能力是影响到 电路精度和性能的关键因素。由于带隙基准电压
2、、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I一2 1在。一7 0的温度范围内能产生温度系数为10一/的基准电压。然而,高性能的CM0s带隙基准电压源的发展仍然被许多因素阻碍,如:双极性器件的特性在CMOS工艺中可行性:运算放大器的失调的影响;带隙基准电压源温度补偿等问题。2带隙基准电压源的原理带隙基准电压源的实现是由两个具有完全互补温度特性的电压相加实现的。一般方法是在一个随温度上升而下降的具有负温度系数的电压,加上 一个随温度上升而上升的具有正温度系数的电压。从而实现输
3、出电压的零温度系数。在带隙基准电压源中,是 由具有正温度系数的热电压炸和具有负温度系数的双极晶体管基极一发射极电压v B:相加构成。在半导体工艺的各种不同器件参数中,双极晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性,并且具有能提供正温度系数和负温度系数的严格定义的量,双极电路形成了这类电路的核心。双极晶体管在标准COMs工艺中的实现是通过n阱工艺来得到的。在n阱工艺中,pn P晶体管可以按图1实现,n阱中的P+区作为发射极,n阱本身作为基区,p型衬底作为集电区,并且必然接到最负的电源(通常为地)。2 . 1典型的带隙基准源电路在半导体工艺的各种不同器件参数中,双极晶体管的特性参数被证实具有最好的重复
4、性,并且具有能 提供正温度系数和负温度系数的严格定义的量,双极电路形成 了这类 电路的核心。双极晶体管在标准COMS 工艺中的实现是通过n阱工艺来得到的。在n阱工艺中,P np晶体管可以按图1实现,n阱中的P+区作为 发射极,n阱本身作为基区,p型衬底作为集电区,并且必然接到最负的电源(通常为地)。图2为带隙基准电压源的原理示意图r3 1,由图2可以看出,双极晶体管的基极一发射极电压B E具有负 温度系数,其温度系数在室温下为一Lsmv /K。而热电压咋。吟二舰/q)具有正温度系数,其温度系数在室温下为+ 0. 0 87 mv /K。将岭乘以常数K并和v a s相加可以得到输出电压喻带隙基准电
5、压源原理分析与应用咋E F=V a e+K炸( l )将(l )式对温度T进行微分,并将v B:和玲的温度系数带入可求得常数K同时得到了一个具有零温度系数的输出电压v RE F。图2中,处于深度负反馈的放大器人以v x和竹为输入,驱动凡和凡(凡二凡)的上端,使得x点和Y点的电压近似相等。同时通过使q和q发射极的面积成一定比例而使它们的工作电流密度比为一个固定值n.那么v a:;=R I+v a:2,即R I二凡E,一v B sZ二竹i n。,得到流过右边支路的电流为炸i nn/凡,因此输出电压为蝙=v a EZ浅票二(1+孕 凡凡(2)+红肪工 笠囚囚尸尸n一祀l l l民一.图1在cM0 s
6、 工艺中实现p扮双极晶体营图2带隙葵准原理电路适 当选取凡,凡和n值的大小,即可得到具有零温度系数的输出电压岭“。由于输入MO s管的非对称性,运算放大器存在失调电压,也就是当运放的输入电压为零时,其输出电压不为零。更重要的是,失调电压v o s本身随温度变化,因此增大了输出电压的温度系数。有许多方法可 以减小失调电压v o s的影响。首先运放采用大尺寸器件并仔细选择版图的布局使得失调最小。其次通过令尺和凡的比例系数为m使鸟和么的集电极电流比率置为m,从而v e E=竹i n(m n)。另外,电路的每个分支可以采用两个P n结串连的形式使v a s增加一倍。由此可得咋邵=踢3+v a: ;+(
7、凡+凡)2玲In(m n)一v o s凡一Zv a E(食, 【,玲i nm,一v o s,(3)这样失调 电压的影响通过增大方括号中第一项的值而减小了。因此改善了电路的温度系数,提高了输出电压的稳定性。同时为了保证两个晶体管的偏置电流具有相同的温度特性,可 以用PMOS电流源取代电阻。2 .2自偏置电路构成的基准源电路时,在带隙电路的分析中,双极晶体管 的偏置电流实际上是与绝对温度成正 比(Pl诱T:pro即丙o na lt oa bs ol ut et emp eratur e)的.利用P飞肖I,电流可以得到一个产生带隙基准电压的电路。如图5所示,其工作原理是,晶586计算机技术与应用进展
8、.2( X场. . . 月. 口. . 口. . . . . . .体管乌的发射极面积设计为鸟的m倍,Ml0M4四个CM0s晶体管保证了鸟与马的发射极电流相同,所以两个双极晶体管的电流密度比近似为m,所以产生了叮A T电流几5。其基准带隙电压产生的思想是 将Pl人I,电压1 05凡加到基极一发射极电压上,因此输出电压等于_、 ,.凡: ,_vRE F一犷习 E3下下-vTul , 气(4)V D D场l们!扩!宁上左。 工 工左曲竹盯电流产生的若准电压3电源影响与启动问题图2中的基准电压产生电路中,只要运放的开环增益足够高,输出电压就相对独立于电源电压,即输出电压将与 电源电压无关。图4中的电
9、路采用了自偏置结构,相对于电源电压其电路本身具有很高的独立性。在与电源无关的偏置电路中,由于“简并”偏置点的存在,当偏置电路中的晶体管传输零电流时,会导致偏置电路关断,从而整个电路不能正常开启。所以启动电路也是带隙基准源中的一个重要组成部分,它保证了在电路上电时,电路可以正常工作.通常希望启动电路在整个带隙基准源正常工作时,不会对基准源的性能有影响。4电源抑制比电源抑制比(PSR R)是描述抗电源干扰的参数。对于电源电压的直流变化,输出电压能很好的实现 电压跟随,即编尸是稳定的。而在 电源电压有交流干扰时,特别是干扰频率较高时,输出电压会出现同频率的交流信号,幅度近似干扰信号的幅度,这时输出电
10、压不在稳定。有两种方法解决这个问题:提高运算放大器的单位增益带宽,或者降低运放本身的PSR R。5小结本文介绍了带隙基准电压源的基本工作原理,着重介绍了运放失调电压对输出电压的影响以及解决的几种方法,同时分析了由P lAT电流产生的带隙基准 电压电路。随着亚深微米集成电路技术的不断发展,集成电路的电源电压越来越低1 6 1。目前,1.8v和1.5v的电源电压已经广泛应用。所以在基于标准CMOS工艺下,设计具有低温度系数、低功耗、高电源抑制比(PSR R)的带隙基准电压源是以后发展的方向。带隙基准电压源原理分析与应用587参考文献lT sivldlsYp.Um erRW.A CMO Sv oLt
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12、enc esAI.In:竹侃e edingsofT echnie alPap er so nVL SIT eehnologySyst emsa ndA PPlieationsC.I E EE,199 1.398 402.5Y exB,Ch eng 2L.L owvolt ages el f bia singr e f er en e eeir euitsA.In:所伙eed ingsthe4 t hlnter natio n alCo nf er en e eo nASI CC.I EEE,2( X )1.314317.6LeungKN,Mo kp K TAsubZ12V152即m6, CCM
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14、versity,HeF ei23( X )39 Chin aA加tr aet:仆。稗伴rst a r tingr r oma n日yzing generafP r in eip一eof妙pic川腼d gavr er er ene eesr cuit.仆em et ho dsa r egivenf orr esolvingt he op erationala mPlif ierof f set,a ndint ro du e e aeir euitof bandgt a Pvoltager ef er en eebyusing盯ATcur r ent.Alsot h ep ot ent ialt r endofv olt a ger ef e r en e e15Pr ese nt ed.Keyw o川s :Ba nd gaPvolt a ge:r ef er en e eT emp erat ur e;eo ef f ieientPSRR
