低压CMOS带隙基准电压源设计
宁江华1， 王基石1， 杨发顺1,2， 丁 召1,2
【摘 要】基准源是模拟集成电路中的基本单元之一，它在高精度ADC,DAC,SoC等电路中起着重要作用，基准源的精度直接控制着这些电路的精度。阐述一个基于带隙基准结构的Sub-1 V、低功耗、低温度系数、高电源抑制比的CMOS基准电压源。并基于CSMC 0.5 μm Double Poly Mix Process对电路进行了仿真，得到理想的设计结果。 【期刊名称】现代电子技术 【年(卷),期】2010(033)007 【总页数】3
【关键词】CMOS基准电压源; 低功耗; Sub-1 V; 高电源抑制比
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[1,2],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[3-5] 。归纳起来,前一问题可以通过合适的电阻分压来实现[6,7]；第二个问题可以通过BiCMOS 工艺来实现[8],或通过低阈值电压的MOS 器件来实现[3,9],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 0.5 μm Double Poly Mix Process对电路进行了仿真，得到理想的结果。
1 低压COMS基准电压源设计
1.1 传统的带隙基准源[1,10]
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+0.085 V/K[1]。将VT乘以常数K并和VBE相加就得到输出电压VREF： VREF=VBE+KVT (1)
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-发射极电压差ΔVBE：
ΔVBE=VBE2-VBE1=VTln(J2/J1) (2)
式中:J1和J2是流过Q1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: VBE2=I1R1+VBE1 (3)
ΔVBE=VBE2-VBE1=I1R1 (4)
由图2可得: VBE=VBE2+I2R2 (5)
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: (6)
式中:A1和A2是Q1和Q2的发射极面积。比较式(5)和式(1)，可得常数K为: (7)
在实际设计中，K值即为式(7)表示。
传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压，但其电源电压较高(大于3 V)，且基准输出范围有限(1.2 V以上)。要在1.8 V以下的电源电压得到1.2 V以下的精确基准电压，就必须对基准源结构上进行改进和提高。 1.2 低压COMS基准电压源的电路设计
本设计基于CSMC-0.5 μm-CMOS工艺(NMOS的阈值电压为0.536 V，PMOS的阈值电压为-0.736 V)，采用一级温度补偿、电流反馈技术设计的低压带隙基准源电路如图3所示。低压带隙基准源的电流不仅用于提供基准输出所需的电流，也用于产生差分放大器所需的电流源偏置电压，简化了电路和版图
低压CMOS带隙基准电压源设计
