一种带隙基准电压源设计

一种结构简单的CMOS带隙基准电压源设计周晏1+,蒋林2+,曾泽沧3+（西安邮电学院 陕西 西安 710061）Abstract: This paper proposes a precise CMOS bandgap voltage reference with high power supply rejection ratio (PSRR). The voltage supply is 3.3V. Using CSMC 0.5 um CMOS process, Spectre simulation shows that the average temperature coefficient is 45.53×10-6/℃ in the rage of -40～80℃. The circuit also has change small when power supply voltage changes from 2～5V. The PSRR is the -73.3dB.Key words: bandgap; power supply rejection ratio; temperature coefficient摘 要: 本文提出了一种结构简单高电源抑制比的CMOS带隙基准电压源，供电电源3.3V。

采用CSMC 0.5um CMOS工艺。

Spectre仿真结果表明，基准输出电压在温度为-40～+80℃时，温度系数为45.53×10-6/℃，输出电压在电源电压为2～5V范围内变化小。

电源抑制比达到-73.3dB。

关键词: 带隙基准;电源抑制比;温度系数文献标识码: A 中图法分类号: TN4321 引言随着集成电路工艺和设计水平的发展，在模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)等混合信号集成电路设计中,高性能的电压基准源设计已成为关键技术之一 [1]。

带隙基准源具有以下优点：与标准CMOS工艺完全兼容，可以工作于低电源电压下，温度漂移、噪声和PSRR等性能能够满足大部分系统的要求[4]。

一种高性能带隙基准电压源设计杨霄垒;张沁枫;蒋颖丹【摘要】Compared with the structure of conventional CMOS bandgap voltage reference circuits, a high-performance circuit based on first-order temperature compensation is designed in the paper. A differential amplifier is used for the bandgap reference negative feedback amplifier, while the output biases the PMOS current source to achieve high power supply rejection ratio. The Spectre simulation results show that the circuit has temperature coefficient of 4.18×10-6℃/ from -55℃ to 125℃, and PSRR of -94 dB. It is implemented in SMIC 65 nm CMOS process with area of 0.5×0.1mm2 and power consumption of 0.56 mW.%对比分析传统的CMOS带隙基准电压源电路结构，基于一阶温度补偿设计一种高性能带隙基准电压源。

电路采用基本差分放大器作为电路负反馈运放，运放输出用作PMOS电流源偏置，提高共模抑制比。

Spectre仿真结果显示在-55~125℃温度范围内温度系数为4.18×10-6/℃，低频下电源抑制比达到-94 dB。

在SMIC 65 nm CMOS工艺下，芯片面积为0.5×0.1 mm2，功耗为0.56 mW。

一种低温漂输出可调带隙基准电压源的设计在A／D和D／A转换器、数据采集系统以及各种测量设备中，都需要高精度、高稳定性的基准源，并且基准电压源的精度和稳定性打算了囫囵系统的工作性能。

电压基准源主要有基于正向VBE的电压基准、基于齐纳反向击穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种实现方式，其中带隙基准电压源具有低温度系数、高电源抑制比、低基准电压等优点，因而得到了广泛的应用。

本文在基于传统带隙电压基准源原理的基础上，采纳反馈、一级温度补偿等技术，同时在中加入启动电路，设计了一个高精度、输出可调的带隙基准电压源，并在SMIC 0.25μm 工艺条件下对电路举行了模拟和。

1 带隙基准电压源工作原理与传统结构
带隙基准电压源的原理就是利用PN结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN结电压差的正温度系数电压VT互相补偿，使输出电压达到很低的温度漂移。

1.1 带隙基准电压源工作原理
图1为温度对二极管伏安特性的影响。

可以看出，温度上升，保持二极管正向电流不变时所需正向偏压减小，温度系数为：-1.9 mV／℃～2.5 mV／℃。

PN结电流与外加电压的关系为：
图2(a)为带隙电压基准源的原理暗示图。

结压降VBE在室温下温度系数约-2.0 mV／K，而热电压VT(VT=k0T／q)，在室温下的温度系数为0.085 mV／K，将VT乘以常数k并与KBE 相加，可得到输出电压Vref为：
将式(1)对温度T举行一次微分，并在室温下等于0(输出电压在室温
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带过温保护功能的高精度带隙基准电压源的设计高精度带隙基准电压源是一种常用于模拟电路和测量系统中的关键器件。

它可以提供稳定精确的基准电压，用于校准和校验其他电路的电压精度。

带过温保护功能的设计可以确保电压源在工作过程中不会超过额定温度范围，从而保护电路免受损坏。

以下是一个设计带过温保护功能的高精度带隙基准电压源的步骤：1.确定规格要求：首先，需要根据应用的要求确定基准电压的规格，包括精度、温度系数、稳定性等。

这将决定所采用的设计方案和器件选择。

2.选择参考电压：通常情况下，选择具有较小温度系数和稳定性的参考电压是理想的。

常见的选择包括基于温度补偿二极管（例如LM385）的基准电压源或基于电流源和电阻的参考电压源。

3.设计稳压电路：在基准电压源的设计中，通常会使用稳压电路以确保输出电压的稳定性。

常见的稳压电路包括电流源和电压跟随器等。

4.设计过温保护电路：过温保护功能可以通过使用温度传感器和比较器等元件实现。

温度传感器可以实时监测电压源的温度，并将温度信息传递给比较器。

当温度超过设定阈值时，比较器会触发保护电路，从而断开电源或降低电源输出，以保护电路不受损坏。

5.优化布局和散热设计：设计中需要注意良好的布局和散热设计，以确保稳定性和过温保护功能的可靠性。

通过合理的电路布局和散热元件的选择，可以降低元件之间的热耦合效应，并提高整个电路的稳定性。

此外，必要时还可以考虑使用散热器或风扇来冷却电路。

6.仿真和验证：在进行实际的电路制作之前，进行电路仿真和验证是很重要的。

通过使用专业的电路仿真软件，可以验证所设计的电路在不同工作条件下的性能，并进行必要的调整和优化。

7.实际制作和测试：根据设计完成电路制作，并进行实际测试。

测试应包括基准电压的稳定性、温度系数和过温保护功能等方面的验证。

如果有必要，还可以进行长时间稳定性测试，以确保电路在各种工作条件下的可靠性。

总之，设计带过温保护功能的高精度带隙基准电压源需要充分考虑应用需求、采用合适的器件和电路设计，并进行仿真和测试验证。

第一章 引言基准电压源或电压参考(Voltage Reference)通常是指在电路中用作电压基 准的高稳定度的电压源.随着集成电路规模的不断增大，尤其是系统集成技术 (SOC)的发展，它也成为大规模、超大规模集成电路和几乎所有数字模拟系统 中不可缺少的基本电路模块。

在许多集成电路和电路单元中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器，都需要精密而又稳定的电压基准.在数模转换器中，DAC 根据呈现在其输入端上的数字输入信号，从DC 基准电压中选择和产生模拟输出; 在模数转换器中，DC 电压基准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。

在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。

因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度.近年来对它的研究也一直很活跃，运用双极型工艺制成的基准电压源已能达到相当高的性能和精度。

在许多集成电路和电路单元中，如数模转换器(DAC)、模数转换器(ADC)、线性稳压器和开关稳压器，都需要精密而又稳定的电压基准.在数模转换器中，DAC 根据呈现在其输入端上的数字输入信号，从DC 基准电压中选择和产生模拟输出;在模数转换器中，DC 电压基准又与模拟输入信号一起用于产生数字化的输出信号。

在精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。

因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性能和精度.近年来对它的研究也一直很活跃，运用双极型工艺制成的基准电压源已能达到相当高的性能和精度。

1.1 带隙基准电压源的研究现状零温度系数的基准电压源，是人们在电子仪器和精密测量系统中长期追求的一种基本部件。

传统的基准电压源是基于晶体管或稳压管的原理制成的，其电压温漂在mV/℃级，电压温度系数高达V/℃ --V /℃，根本无法满足现代电子测量的需要.随着带隙基准电压源的问世，上述愿望才变为现实.带隙基准电压源由于其在电源电压、功耗、长期稳定性等方面的独特优势，一直为设计师所研究和关注，因而得到了更广泛的应用。

一款新颖的带隙基准电压源设计电压基准是芯片设计中一个至关重要的组成单元，它直接影响着整个电子产品的性能。

高精度是当今集成电路发展的特点之一，随着集成电路以摩尔定律的发展，人们对电路指标的要求也日趋提高。

因此，高精度、高性能的基准源对于集成电路芯片是必不可少的。

本文设计了一款高性能的基准电路，具有较小的温度系数，同时在2．3～6．5V的电源电压范围内具有较低的功耗和较高的电源电压抑制特性，适用于各类对精度要求较高且功耗低的集成电路芯片。

1 基准工作的基本原理图1为典型的与温度无关的带隙基准电路架构图。

它的原理就是利用三极管基极-发射极电压△VBE的负温度系数和两个三极管基极-发射极电压差值△VBE的正温度系数相抵消来产生零温度系数的基准电压。

如图1所示，图中Mp1、Mp2为LDMOS管，VDD的大部分压降均落在Mp1、Mp2上，因此该电路可以承受较高的电源电压。

若忽略三极管的基极电流，则有由式(1)～式(6)式可以得到其中，N=IS1／IS2为QN1和QN2的发射极面积之比。

VBE2的温度系数为-1．5 mV／℃，VT的温度系数为+0．086 mV／℃，所以选择适当的N值和R2／R1的比值，就可以得到零温度系数的输出电压。

另外，调节R4和R5的比值，可以得到期望的基准电压，且不会改变已调整好的零温度系数特性。

2 新颖的带隙基准电路如图2即为所提出的基准电压电路。

该电路由偏置、运算放大器、基准核心和基准启动4个部分构成。

核心电路的原理如前文所述，下面对运放、启动作具体阐述。

该电路的运放如图2所示，运放的主要作用是保证△VBE的精准性。

然而运放的失调是一个主要的误差源。

假设输入端的失调电压为VOS，经过计算可以得到这里的关键问题是失调电压被放大了(1+R2／R3)倍，在VREF中引入了误差。

更重要的是VOS本身随温度变化，更增大了输出电压的温度系数。

因此要尽量减少失调电压。

而引起失调的因素有很多，如电阻间的不匹配，晶体管的不匹配，运放输入级晶体管阈值电压的不匹配，以及运放的有限增益等。

带隙电压基准源的设计与分析摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。

设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。

文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。

可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。

基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。

在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。

在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。

它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。

由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。

之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。

其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。

1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。

它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。

相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。

接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。

新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。

以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。

文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。

1 带隙基准源工作原理由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。

一种带隙基准电压源的设计与
基准电源与电源本身及其工艺关系很小，而温度特性稳定，被广泛使用在模拟电路之中。

基准电源的温度特性和噪声特性是决定电路精度和性能的重要因素。

基准电源的输出电压和(或)电流几乎不受温度和电源电压的影响，是模拟集成电路中不可或缺的关键模块。

基准电源根据输出的类型可分为基准电压源和基准电流源。

基准电压源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙基准电压源3种，基准电流源主要是简单基准电流源、阀值电压相关电流源和带隙基准电流源。

准电压源和基准电流源两者并不孤立，电压基准可以转换为电流基准，电流基准也可以转换为电压基准。

1 带隙基准电压源的基本原理
带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体管基区一发射区电压VBE具有的负温度系数，而不同电流密度偏置下的两个基区一发射区的电压差△VBE具有正的温度系数的特性，将这两个电压线性叠加从而获得低温度系数的基准电压源。

一种带隙基准电路电压源设计摘要：针对传统带隙基准源仅采用一阶温度补偿技术导致温度系数较差的问题就需要采用高阶曲率补偿电路。

曲率补偿的方法是通过在基准源输出电压上叠加一个温度的指数函数，从而实现高阶补偿的目的。

电路基于tsmc0.18um工艺，Candence行仿真。

测试结果表明，温度由-40℃变化到125℃时,使用高阶温度补偿后带隙基准电压的温度漂移系数为6.60ppm/℃电源抑制比62.81dB。

关键词：带隙基准电路、曲率补偿引言基准源是模拟电路或者数模混合信号集成电路的重要组成部分，基准源的建立要求是与电源、工艺和温度无关的电压源或者电流源，基准源在整个电路或者系统中通过对基准电压比来处理输入信号，此时基准的性能会直接影响电路或者系统的性能。

所以基准源应该具有的抗干扰能力，此时就要降低基准源的温度系数，同时保证有较大的抑制比。

一般的带隙基准电路只采用一阶温度补偿的策略来实现基准源的设计，但是要降低温度系数，就要采用高阶温度补偿策略。

把一阶线性电流引人三极管的集电极，利用三级管基极-发射极电压的叠加得到产生一个具有高阶温度系数补偿电流，然后将高阶温度系数补偿电流产生的电压与一阶温度补偿电流产生的电压叠加实现多阶温度补偿，此外可以调整电阻的阻值来控制正带隙电压的温度特性，利用电路中的运放与负反馈来提高电路的电源电压抑制比。

1.电路设计已知带隙基准是由正温度系数电压（PTAT）与负温度系数电压（CTAT）按照一定比例组合产生与温度无关的基准电压（Vref）。

传统基准源设计由pnp三极管Q1与Q2的VBE之差产生了PTAT电压，再通过R1将PTAT电压转化为电流输出，然后利用运放出入端V+、V-相同输出电压为0V，运放将R1产生的PTAT电流通过Q5、Q6的电流镜拷贝输出，R2作为负载和Q3一起将PTAT电流转化为电压输出，电路所有的三极管都为二极管连接方式。

1-1传统带隙基准源1.1研究方案带隙基准电压源的基本原理就是用具有正温度系数的PTAT电压与具有负温度系数的VBE 电压相叠加，从而形成低温度系数的输出电压。

低电压带隙基准电压源设计基准电压是数模混合电路设计中一个不可缺少的参数，而带隙基准电压源又是产生这个电压的最广泛的解决方案。

在大量手持设备应用的今天，低功耗的设计已成为现今电路设计的一大趋势。

随着CMOS 工艺尺寸的下降，数字电路的功耗和面积会显著下降，但电源电压的下降对模拟电路的设计提出新的挑战。

传统的带隙基准电压源结构不再适应电源电压的要求，所以，新的低电压设计方案应运而生。

本文采用一种低电压带隙基准结构。

在TSMC0．13μmCMOS工艺条件下完成，包括核心电路、运算放大器、偏置及启动电路的设计，并用Cadence Spectre对电路进行了仿真验证。

1 传统带隙基准电压源的工作原理传统带隙基准电压源的工作原理是利用两个温度系数相抵消来产生一个零温度系数的直流电压。

图1所示是传统的带隙基准电压源的核心部分的结构。

其中双极型晶体管Q2的面积是Q1的n倍。

假设运算放大器的增益足够高，在忽略电路失调的情况下，其输入端的电平近似相等，则有：VBE1=VBE2+IR1 (1)其中，VBE具有负温度系数，VT具有正温度系数，这样，通过调节n和R2/R1，就可以使Vref得到一个零温度系数的值。

一般在室温下，有：但在0．13μm的CMOS工艺下，低电压MOS管的供电电压在1．2 V左右，因此，传统的带隙基准电压源结构已不再适用。

2 低电源带隙基准电压源的工作原理低电源电压下的带隙基准电压源的核心思想与传统结构的带隙基准相同，也是借助工艺参数随温度变化的特性来产生正负两种温度系数的电压，从而达到零温度系数的目的。

图2所示是低电压下带隙基准电压源的核心部分电路，包括基准电压产生部分和启动电路部分。

2．1 带隙基准源电路由于放大器的输入端电平近似相等，故由电流镜像原理可得到如下等式：这样，适当选择R2/R1、R2/R3以及n的值，即可得到低电源电压下的基准电平。

基于版图的设计考虑，可选择n为8，这样可以更好地实现三极管的匹配，减小误差。