3)高电源抑制比的基准电压源
在数模混合集成电路中，电路中可能存在高频噪声和数字电路产生的噪声对模拟电路产生信号干扰的现象。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源抑制比性能，有些设计中使用运放结构的带隙基准技术，在直流频率时的PSRR(Power Supply Rejection Ratio，电源抑制比)可达-110dB，在1MHz的PSRR达-70dB;而使用无运放负反馈结构的带隙基准，在1KHz的PSRR为-95dB，在1MHz的PSRR为-40dB。 4)低功耗的基准电压源
低功耗设计对于依靠电池工作的便携设备具有非常重要的意义，低功耗电路可以延长电池的使用寿命。有些设计中的电路功耗可达220uW。
1.2 课题研究的目的意义
传统的基准源是基于稳压二极管的原理制成，但由于它的击穿电压一般都大于现在电路中所用的电源，已经不再常用。20世纪70年代初，Widlar首先提出带隙基准电压源的概念和基本设计思想，由于其在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，得到了广泛的应用。现在拥有带隙基准源的集成电路已广泛应用于军事装备、通讯设备、汽车电子、工业自动化控制及消费类电子产品等领域。
随着微电子技术的不断发展，现阶段常用集成电路的制作工艺主要有两种: 双极工艺和CMOS工艺。双极性工艺是集成电路中最早成熟的工艺，其集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；CMOS工艺技术是在PMOS与NMOS工艺基础上发展起来的，由于CMOS电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大等优点，已经逐渐发展成为当代VLSI(超大规模集成电路)工艺的主流工艺技术，因此，在本文在设计高精度的带隙基准电压源时，就采用了CMOS工艺技术。
1.3 本文的主要内容
为了设计一种高精度CMOS带隙基准源，本文将首先着手于研究带隙基准源的原理和提高带隙基准源性能的方法，再对高精度的CMOS带隙基准源进行完整设计分析，然后借助HSPICE对电路进行模拟仿真，包括带隙基准源的核心电路、电源抑制比电路、快速启动电路等。本文的主要内容如下：
1）介绍CMOS带隙基准源的现状、发展趋势以及本课题研究目的意义； 2）介绍基准源的分类，详细分析带隙基准源的基本原理和几种基本框架，并分析其优缺点；
3）分析影响带隙基准电压源温度性能的原因并总结目前的改进方法； 4）对高精度的CMOS带隙基准源进行设计分析和模拟仿真；
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2. 基准电压源的原理与电路
基准源主要分为基准电压源和基准电流源，而基准电压源的性能参数主要有温度系数、电源抑制比和功耗等。
2.1 基准电压源的结构
2.1.1直接采用电阻和管分压的基准电压源
如图2.1所示的基准电压源可以说是最简单的基准源。
VDDVDDM2R1VREFM1VREFR20 0
(a)采用电阻分压的基准电压源 (b)采用管分压的基准电压源
图 2.1采用电阻和管分压的基准电压源 对图2.1(a)，有
VREF?R2VDD (2.1) R1?R2VREF SV?DD?VREFVREF?VREFVDD??1 (2.2)
?VDDVDD?VDDVREFVREF其中，SV表示电源电压幅度敏感系数。 DD对图2.1（b），有
VREF?其中，?P??PCOX?VTN?(?P?N)(VDD?VTP) (2.3)
1?(?P?N)?W?，???C?W?，?W?代表PMOS管的宽长比，?W?代
NNOX??????L??L?P?L?N?L?P??NVREF表NMOS管的宽长比。若有?N??P，VTN?VTP，SV?1，则它的输出基准电压对电DD源电压非常敏感，而且对温度也非常敏感，所以它的应用受到很大的限制。
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VDDIbiasVREFV10
图2.2电源电压敏感系数小于1的简单电压源
若要得到电源电压敏感系数小于1的电路结构，就要像图2.2那样设计电路，在电路中提供相对稳定的电流，才能减小基准电压对电源电压的依赖。
2.1.2有源器件与电阻串联组成的基准电压源
通过以上的分析，为了能设计出简单的基准电压源，人们设计出了有源器件与电阻串联组成的基准电压源，如图2.3和图2.4所示。
VDDR1VREFM10
图2.3电阻与MOS管串联的基准电压源
VDDR1VREFQ100
图2.4电阻与双极晶体管串联的基准电压源
在图2.3中，得到：
VREF?VGS?VT?2?VDD?VREF? (2.4)
?R1??VDD1VREFSV??1??(V?V)R?(V) (2.5) DDREFT1?REF?
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齐纳二极管工作在反向偏置区时，在稳定的电压下，它的电流也是稳定的，而且随着电压的增加，电流会迅速的增加。因此使用这种基准时，必须提供恒定的电流。最基本的形式就是由电源和电阻来完成，如图2.5所示。
VDDR1VREFD0
图2.5 齐纳二极管构成的电压基准源
VREF?VBV (2.6)
VREFSV?DD
rZVDD (2.7)
rZ?RVBVrZ是击穿二极管在击穿点Q（如图2.6）的小信号阻抗。
图2.6 齐纳二极管工作特性
反向击穿发生在电压为BV的时候，BV变化范围为6V～8V(如图2.7)，BV值的大小取决于n+区和p+区的掺杂浓度。击穿电压的温度系数会随着击穿电压BV的值变化，齐纳击穿电压的温度系数为负，雪崩击穿电压的温度系数为正。通过选择合适的正温度系数就可以抵消掉二极管的结压降负温度系数（约为-2.0mV/℃）。通过选择合适的偏置电流，就可以获得接近零温度系数的基准电压。
然而这种基准源的应用越来越少，因为它们使用起来有点困难：精度不高，噪声大，输出基准电压对电流和温度都有较大的依赖性。
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图2.7 VBV的温度系数与VBV的关系
2.1.3带隙基准电压源
带隙基准电压源的性能较其它基准电压源有了很大的飞跃。它的温度系数可以做的很小，可以获得从1.22V到10V的各种基准电压。由于建立在非表面的带隙原理上，因此比齐纳二极管更稳定。它的输出阻抗很低，能保持很小的温度系数而且具有较高的稳定性。同时，带隙基准源工作的静态电流和功耗都很小，电源电压抑制比比较大，输出电压受电源电压的影响很小。由于以上优点使带隙基准电压源得到广泛的应用，本文所采用的就是带隙基准电压源，下面详细分析带隙基准电压源的原理[3]。
2.2 带隙基准电压源的基本原理
图2.8是带隙基准电压源的原理图。由室温下温度系数为-2.0mV/℃的pn结二极管产生电压VBE；同时也产生一个热电压VT（T=KT/q），它与绝对温度成正比（PTAT），它在室温下的温度系数为+0.085mV/℃。如果电压VT乘以常量K加上电压VBE，则输出电压为：
VREF?VBE?KVT (2.8)
式(2.8)对温度求导，用VBE和VT的温度系数求出理想的不依赖于温度的K值。
?VBE?V??2.0mV/℃ , T??0.085mV/℃, ?T?T则K=2.2/0.085=23.5,在理论实现零温度系数，此时
VREF?0.65?0.026?23.5?1.26V
由于该电压等于硅的带隙电压（外推到绝对温度），所以这类基准电路也叫“带隙”
基准电路。
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