摘 要
基准电压源是模拟电路设计中广泛采用的一个关键的基本模块。所谓基准电压源就是能提供高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，但是它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。本文的目的便是设计一种高精度的CMOS带隙基准电压源。
本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状及趋势。然后详细介绍了带隙基准电压源的基本结构及基本原理，并对不同的带隙基准源结构进行了比较。接着对如何提高带隙基准的电源抑制比以及带隙基准电压源的温度补偿原理进行了分析，还总结了目前提高带隙基准电压源温度特性的各种方法。在此基础上运用曲率校正、内部负反馈电路、RC滤波器、快速启动电路，设计出了具有良好的温度特性和高电源抑制比的带隙基准电压源电路。最后应用HSPICE仿真工具对本文中设计的带隙基准电压源电路进行了完整模拟仿真并分析了结果。
模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性和高电源抑制比，0℃～100℃温度范围内，基准电压温度系数大约为11.2ppm/℃，在1Hz到10MHz频率范围内平均电源抑制比(PSRR)可达到-80dB，启动时间为700?s。
关键词: 带隙基准电压源； 温度系数；电源抑制比；
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Abstract
Voltage reference is the vital basic module which is widely adopted in analog circuits. It can supply a voltage with high stability. The power supply, technics parameter rand temperature has lesser effete to this voltage. Its temperature stability and antinoise capability influence the precision and performance of the whole system. The purpose of this article is to design a high precision CMOS bandgap voltage reference.
In this article, the present situation and developmental trend of voltage reference studies both at home and abroad are presented. The structure and principle of voltage reference are analyzed in detail, and then the different structures of bandgap voltage reference are compared. By analyzing the power supply rejection ratio (PSRR) and the principle of temperature compensation, the method of improving the temperature characteristic is summarized. The design of a bandgap voltage reference circuit with high power supply rejection ratio and good temperature characteristic is completed by applying curvature emendation, inside negative feedback technology, RC filter and fast start-up circuit. At last, the circuits have been simulated with HSPICE simulation tools.
The simulation results show that，the circuit with good temperature characteristic and high power supply rejection ratio, and at the temperature range of 0℃ to 100℃, the temperature coefficient(TC) is about 11.2ppm/℃. In the frequency range of 1Hz to 10MHz, the average power supply rejection ratio is more than -80dB and it has a turn-on time less than 700?s.
Key Words: bandgap voltage reference; temperature coefficient; power supply rejection ratio;
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目 录
1. 绪 论 ................................................................ 1
1.1 国内外研究现状与发展趋势 .......................................... 1 1.2 课题研究的目的意义 ................................................ 2 1.3 本文的主要内容 .................................................... 2 2. 基准电压源的原理与电路 ................................................ 3
2.1 基准电压源的结构 .................................................. 3
2.1.1直接采用电阻和管分压的基准电压源 ............................. 3 2.1.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源 ........................... 4 2.1.3带隙基准电压源 ............................................... 6 2.2 带隙基准电压源的基本原理 .......................................... 6
2.2.1与绝对温度成正比的电压 ....................................... 7 2.2.2负温度系数电压VBE ........................................... 7 2.3 带隙基准源的几种结构 .............................................. 8 2.4 VBE的温度特性 .................................................... 11 2.5 带隙基准源的曲率校正方法 ......................................... 13
2.5.1线性补偿 .................................................... 13 2.5.2高阶补偿 .................................................... 13 本章小结 ............................................................. 17 3. 高精度CMOS带隙基准源的电路设计与仿真 ................................ 18
3.1 高精度CMOS带隙基准电压源设计思路 ................................ 18 3.2 核心电路 ......................................................... 19 3.3 提高电源抑制比电路 ............................................... 20
3.3.1负反馈回路 .................................................. 21 3.3.2 RC滤波器 ................................................... 22 3.4 快速启动电路及快速启动电路的控制电路 ............................. 23
3.4.1快速启动电路的控制电路 ...................................... 23 3.4.2快速启动电路 ................................................ 24 3.5 CMOS带隙基准电压源的温度补偿原理 ................................ 24 3.6 高精度CMOS带隙基准电压源的电路仿真 .............................. 27
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3.6.1仿真工具的介绍 .............................................. 27 3.6.2 核心电路的仿真结果 ......................................... 27 3.6.3 电源抑制比电路的仿真结果 ................................... 28 3.6.4 快速启动电路的仿真结果 ..................................... 28 3.6.5 整体电路的仿真结果 ......................................... 29 本章小结 ............................................................. 30 结 论 ................................................................... 32 致 谢 ................................................................... 33 参考文献 ................................................................ 34
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1. 绪 论
基准电压源(Reference Voltage)是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，或者是为了得到与电源无关的偏置，或是为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是子电路不可或缺的一部分，因此也可以说性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本和最关键的要求之一。
随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也就意味着系统对其中基准电压源模块提出了更高的要求。另外，基准电压源是电压稳压器中的一个关键电路单元，它也是DC-DC转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精确度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源[l]
1.1 国内外研究现状与发展趋势
近年来，国内外对CMOS工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表了大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。 1)低电压工作的基准电压源
SOC(Signal Operation Control)的主流工艺是CMOS工艺,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(0.13um)、0.9V(0.09um)等电源电压已经得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为1.2V左右，所以，对于电源电压低于1.2V的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多文献[2]都提出了输出基准电压低于1.2V的电路结构。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的电路结构和MOS管衬底效应造成的高阈值电压是限制工作电压的主要因素。 2)低温度系数的基准电压源
低温度系数的基准电压源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说对于高精度的A/D、D/A结构，高精度的电流源、电压源等。对于普通的一阶温度补偿的带隙结构的温度系数一般在20ppm/℃～50ppm/℃，因此，设计低温度系数的基准电压源一般必须进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括VBE环路曲率补偿法，β非线性曲率补偿法，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法等。
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