低压CM0S带隙基准电压源设计

文章摘要：0 引言 基准电压源广泛应用于电源调节器、A／D和D／A转换器、数据采集系统，以及各种测量设备中。近年来，随着微电子技术的迅速发展，低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。比如，在一些使用电池的系统中，要求电源电压在3 V以下。因此，作为电源调节器、A／D和D／A转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源，必然要求在低电源电压下工作。 在传统的带隙基准源设计中，输出电压常在1．25 V左右，这就限制了最小电源电压。另一方面，共集电极的寄生BJT和运算放大器的共模输入电压，也限制了PTAT电流生成环路的低压设计。近年来，一些文献力图解决这方面的问题。归纳起来，前一问题可以通过合适的

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0 引言
    基准电压源广泛应用于电源调节器、A／D和D／A转换器、数据采集系统，以及各种测量设备中。近年来，随着微电子技术的迅速发展，低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。比如，在一些使用电池的系统中，要求电源电压在3 V以下。因此，作为电源调节器、A／D和D／A转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源，必然要求在低电源电压下工作。
    在传统的带隙基准源设计中，输出电压常在1．25 V左右，这就限制了最小电源电压。另一方面，共集电极的寄生BJT和运算放大器的共模输入电压，也限制了PTAT电流生成环路的低压设计。近年来，一些文献力图解决这方面的问题。归纳起来，前一问题可以通过合适的电阻分压来实现；第二个问题可以通过BiCMOS工艺来实现，或通过低阈值电压的MOS器件来实现，但工艺上的难度以及设计成本将上升。
    基于上面的考虑，本文首先对传统的带隙电压源原理进行分析，然后提出了一种比较廉价且性能较高的低压带隙基准电压源，采用电流反馈、一级温度补偿技术设计了低压CMOS带隙基准源电路，使其电路能工作在较低的电压下。本文介绍这种带隙电压基准源的设计原理，给出了电路的仿真结果，并对结果进行了分析。并基于CSMC 0．5μm Double Poly Mix Process对电路进行了仿真，得到理想的结果。

l 低压COMS基准电压源设计
1．1 传统的带隙基准源
    图1为带隙基准电压源的原理示意图。双极性晶体管的基极-发射极电压VBE，具有负的温度系数，其温度系数一般为-2．2 mV／K。而热电压VT具有正的温度系数，其温度系数在室温下为十0．085 V／K。将VT乘以常数K并和VBE相加就得到输出电压VREF：
   
    将式(1)对温度T微分并代入VBE和VT的温度系数可求得K，它使VREF的温度系数在理论上为零。VBE受电源电压变化的影响很小，因而带隙基准电压的输出电压受电源的影响也很小。

    图2是典型的CMOS带隙电压基准源电路。两个PNP管Q1，Q2的基极一发射极电压差△VBE：
   
式中：J1和J2是流过Ql和Q2的电流密度。运算放大器的作用使电路处于深度负反馈状态，使得节点1和节点2的电压相等。即：
   
    由图2可得：
      
    通过M1和M2的镜像作用，使得I1和I2相等，结合式(4)和式(5)可得：
   

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