帶隙電壓基準源的設計與分析

摘要 介紹了基準源的發(fā)展和基本工作原理以及目前較常用的帶隙基準源電路結構。設計了一種基于Banba結構的基準源電路，重點對自啟動電路及放大電路部分進行了分析，得到并分析了輸出電壓與溫度的關系。文中對帶隙電壓基準源的設計與分析，可以為電壓基準源相關的設計人員提供參考?？梢詾榇?lián)型穩(wěn)壓電路、A／D和D／A轉化器提供基準電壓，也是大多數(shù)傳感器的穩(wěn)壓供電電源或激勵源。
關鍵詞 基準源；Banba結構；帶隙基準源；輸出電壓

基準源廣泛應用于各種模擬集成電路、數(shù)模混合信號集成電路和系統(tǒng)集成芯片中，其精度和穩(wěn)定性直接決定整個系統(tǒng)的精度。在模／數(shù)轉換器(ADC)、數(shù)／模轉換器(DAC)、動態(tài)存儲器(DRAM)等集成電路設計中，低溫度系數(shù)、高電源抑制比(PSRR)的基準源設計十分關鍵。
在集成電路工藝發(fā)展早期，基準源主要采用齊納基準源實現(xiàn)，如圖1(a)所示。它利用了齊納二極管被反向擊穿時兩端的電壓。由于半導體表面的沾污等封裝原因，齊納二極管噪聲嚴重且不穩(wěn)定。之后人們把齊納結移動到表面以下，支撐掩埋型齊納基準源，噪聲和穩(wěn)定性有較大改觀，如圖1(b)所示。其缺點：首先齊納二極管正常工作電壓在6～8 V，不能應用于低電壓電路；并且高精度的齊納二極管對工藝要求嚴格、造價相對較高。

1971年，Widlar首次提出帶隙基準結構。它利用VBE的正溫度系數(shù)和△VBE的負溫度系數(shù)特性，兩者相加可得零溫度系數(shù)。相比齊納基準源，Widlar型帶隙基準源具有更低的輸出電壓，更小的噪聲，更好的穩(wěn)定性。接下來的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分別提出了改進帶隙基準結構。新的結構中將運算放大器用于電壓鉗位，提高了基準輸出電壓的精度。
以上經(jīng)典結構奠定了帶隙基準理論的基礎。文中介紹帶隙基準源的基本原理及其基本結構，設計了一種基于Banba結構的帶隙基準源，相對于Banba結構，增加了自啟動電路模塊及放大電路模塊，使其可以自動進入正常工作狀態(tài)并增加其穩(wěn)定性。

1 帶隙基準源工作原理
由于帶隙電壓基準源能夠實現(xiàn)高電源抑制比和低溫度系數(shù)，是目前各種基準電壓源電路中性能最佳的基準源電路。
為得到與溫度無關的電壓源，其基本思路是將具有負溫度系數(shù)的雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE與具有正溫度系數(shù)的雙極晶體管VBE的差值△VBE以不同權重相加，使△VBE的溫度系數(shù)剛好抵消VBE的溫度系數(shù)，得到一個與溫度無關的基準電壓。圖2為一個基本的CMOS帶隙基準源結構電路。

其中，Vref為輸出的基準電壓；VBE為圖2中Q1的基極-發(fā)射極電壓；R1，R2在電路中的位置如圖2所示。