带隙基准电压的设计
王旭 113163
一、设计指标
VDD=3V~6V Vref =1.27V PPM<20ppm/℃
二、电路原理图
三、原理分析
1、核心思想：利用PTAT电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度及电源电压无关的基准电压。
2、详细机理分析
带隙电压基准的基本原理：
?V??V??????0?T?T??V??V???0???T?????V?V????0???T?VREF???V????V??基准电压表达式 ： REF??R VREF?VBE3?2VTlnn R1 双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）关系为： CSBET 其中， T?kTqV利用此公式推导得出VBE电压的温度系数为 VBE?(4?m)VT?Egq?VBE ??TT
其中，m ? ? 1.5 E g ? 1.12 eV 是硅的带隙能量。
K当 V BE ? 750 mV T ? 300 时
V BE ? T ? ? 1.5 mV ? C 这个温度系数本身就与温度有关。 ?V???V???VI?Iexp(VV)
正温度系数的产生机理：如果两个同样的晶体管（IS1= IS2= IS，IS为双极型晶体管饱和
电流）偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值为 ?VBE?VBE1?VBE2nI0I0
?Vln?Vln?VTlnnTT
Is1Is2
因此，VBE的差值就表现出正温度系数 ??VBEk?lnn?0
?Tq
这个温度系数与温度本身、集电极电流都无关。
利用上面的正，负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压，有以下关系：
REFBET
因为 ?VBE?T??1.5mV/?C?VT?T?0.087mV/?C
因此令， 只要满足上式 ，便可得到零温度系数的VREF。故有：
结合以上基本原理，现返回到最初选择的拓扑图，分别采用电流镜接法，M3、M4使得I1与I2电流相等，而M1与M2的电流镜接法又使得X与Y点的电位相等。
V???V???(Vlnn)??1??(lnn)(0.087mV/?C)?1.5mV/?C??(lnn)?17.2 因而有： VR1?VEB1-VEB2?VITnn?I2R1
当 V ? 750 mV T ? K 时 300BEVT?0.026V
可推得 VREF=1.197V
3、调试分析
采用管子的宽长比如下图
暂且设置电阻R1=26K ,R2=230K，晶体管1并联为7，晶体管2、3均设置为1. 初次运行结果如下图
由此可见随着温度的升高，参考电压在减小，说明正温度系数过小，应该正大电阻R2、R1的比值，进一步调试，将R2的值设为变量，扫描从230K到460K的最佳图形，运行得到下图：
由上图可知在R2=460K的时候参考电压变化较小，进一步缩小R2扫描范围，从400K到460K仿真得到下图：
经过PPM计算得到如下图的结果