低電壓供電時(shí)的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路的設(shè)計(jì)方法

本文采用一種低電壓帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。在TSMC0．13μm CMOS工藝條件下完成，包括核心電路、運(yùn)算放大器、偏置及啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，并用Cadence Spectre對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

基準(zhǔn)電壓是數(shù)?；旌想娐?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)中一個(gè)不可缺少的參數(shù)，而帶隙基準(zhǔn)電壓源又是產(chǎn)生這個(gè)電壓的最廣泛的解決方案。在大量手持設(shè)備應(yīng)用的今天，低功耗的設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)今電路設(shè)計(jì)的一大趨勢(shì)。隨著CMOS工藝尺寸的下降，數(shù)字電路的功耗和面積會(huì)顯著下降，但電源電壓的下降對(duì)模擬電路的設(shè)計(jì)提出新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)不再適應(yīng)電源電壓的要求，所以，新的低電壓設(shè)計(jì)方案應(yīng)運(yùn)而生。

1 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理

傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理是利用兩個(gè)溫度系數(shù)相抵消來(lái)產(chǎn)生一個(gè)零溫度系數(shù)的直流電壓。圖1所示是傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心部分的結(jié)構(gòu)。其中雙極型晶體管Q2的面積是Q1的n倍。

假設(shè)運(yùn)算放大器的增益足夠高，在忽略電路失調(diào)的情況下，其輸入端的電平近似相等，則有：

VBE1=VBE2+IR1 (1)

其中，VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，VT具有正溫度系數(shù)，這樣，通過(guò)調(diào)節(jié)n和R2/R1，就可以使Vref得到一個(gè)零溫度系數(shù)的值。一般在室溫下，有：

但在0．13μm的CMOS工藝下，低電壓MOS管的供電電壓在1．2 V左右，因此，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)已不再適用。

2 低電源帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理

低電源電壓下的帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心思想與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)相同，也是借助工藝參數(shù)隨溫度變化的特性來(lái)產(chǎn)生正負(fù)兩種溫度系數(shù)的電壓，從而達(dá)到零溫度系數(shù)的目的。圖2所示是低電壓下帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心部分電路，包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生部分和啟動(dòng)電路部分。

2．1 帶隙基準(zhǔn)源電路

由于放大器的輸入端電平近似相等，故由電流鏡像原理可得到如下等式：