一种高精度带隙基准电压源电路设计

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。

一款高精度基准电压源的设计方案
0 引言
随着集成电路的发展，一个高稳定、高精度的基准电压源变得越来越重要。

特别是在D/A，A/D转换以及PLL电路中，温度稳定性和精度之间关系到整个电路的精确度和性能。

当今设计的基准电压源大多数采用BJT带隙基准电压源结构，以及利用MOS晶体管的亚阈特性产生基准电压源；然而，随着深亚微米CMOS 工艺的发展，尺寸按比例不断缩小，对芯片面积的挑战越来越严重，双极型晶体管以及高精度电阻所占用的面积则成为一个非常严重的问题。

在此，提出一种通过两个工作在饱和区的MOS管的栅源电压差原理，产生一个与绝对温度成正比（PTAT）的电流，利用这个电流与一个工作在饱和区的二极管连接的NMOS晶体管的阈值电压进行补偿，实现了一个低温漂、高精度的基准电压源的设计。

1 NMOS晶体管的构成。

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。

一种高精度的CMOS 带隙基准电压源黄晓敏,沈绪榜,邹雪城,蒋　湘(华中科技大学图像识别与人工智能研究所,湖北省武汉市430074)【摘　要】　设计了一种采用0.25μm CMOS 工艺的高精度带隙基准电压源。

该电路结构新颖,性能优异,其温度系数可达3×10-6/℃,电源抑制比可达75dB 。

还增加了提高电源抑制比电路、启动电路和省功耗电路,以保证电路工作点正常、性能优良,并使电路的静态功耗较小。

关键词:CMOS ,带隙,基准电压源中图分类号:TN492收稿日期:2003208211;修回日期:20032102110　引　言基准电压源广泛应用于A/D 和D/A 转换器、数据采集系统、电压调节器以及各种测量设备,其精度和稳定性直接决定了整个系统的精度。

电压基准源有基于正向V BE 的电压基准、基于齐纳二极管反向击穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种。

其中,带隙电压基准具有低温度系数、高电源抑制比、低基准电压以及长期稳定性等优点,因而得到广泛应用。

本文提出了一种结构比较新颖的基准电压源电路,具有较低的温度系数和较高的电源抑制比。

此外,还增加了提高电源抑制比电路、启动电路和省功耗电路,以保证电路工作点正常、性能优良,并使电路的静态功耗较小。

1　电路结构1.1　带隙基准原理由于双极型晶体管的基极2发射极电压V BE 呈负温度系数,而两个双极型晶体管工作在不同的工作电流时,它们的基极2发射极电压差ΔV BE 正比于绝对温度。

故取:V REF =V BE +K ΔV BE (1)将式(1)对温度微分,并代入V BE 和ΔV BE 的温度系数,就可以求得合适的K 值。

理论上,V REF 的温度系数可以为0,并且V REF 几乎不受电源电压变化的影响。

所以,V REF 的温度系数很小,同时也有较好的电源抑制比。

1.2　带隙基准压的核心电路如图1所示的功耗控制开关,当CTR 为低电平时,M12导通,M13关闭,则N 3点电位为高,M5关闭,差分放大器尾电流为0,差分放大器没有工作,整个电路也没有工作,处于省功耗状态;当CTR 为高电平时,M12关闭,M13导通,则M11～M16组成的偏置电路为N 3点提供合适的偏置电压V N 3,使得差分放大器以及整个电路正常工作。

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，℃，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700s关键词: 带隙基准电压源；温度系数；电源抑制比；AbstractV oltage 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 ℃. 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 700s .Key Words: bandgap voltage reference; temperature coefficient; power supply rejection ratio;目录1. 绪论 (1)国内外研究现状与发展趋势 (1)课题研究的目的意义 (2)本文的主要内容 (2)2. 基准电压源的原理与电路 (2)基准电压源的结构 (3) (3) (4) (6)带隙基准电压源的基本原理 (6) (7) (7)带隙基准源的几种结构 (8)V BE的温度特性 (11)带隙基准源的曲率校正方法 (13) (13) (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)高精度CMOS带隙基准电压源设计思路 (18)核心电路 (19)提高电源抑制比电路 (20) (21)RC滤波器 (22)快速启动电路及快速启动电路的控制电路 (23) (23) (24)CMOS带隙基准电压源的温度补偿原理 (24)高精度CMOS带隙基准电压源的电路仿真 (27) (27)核心电路的仿真结果 (27)电源抑制比电路的仿真结果 (28)快速启动电路的仿真结果 (28)整体电路的仿真结果 (29)本章小结 (30)结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)1.绪论基准电压源(Reference V oltage)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。

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。

0 引言基准电压是集成电路设计中的一个重要部分，特别是在高精度电压比较器、数据采集系统以及A／D和D／A转换器等中，基准电压随温度和电源电压波动而产生的变化将直接影响到整个系统的性能。

因此，在高精度的应用场合，拥有一个具有低温度系数、高电源电压抑制的基准电压是整个系统设计的前提。

传统带隙基准由于仅对晶体管基一射极电压进行一阶的温度补偿，忽略了曲率系数的影响，产生的基准电压和温度仍然有较大的相干性，所以输出电压温度特性一般在20 ppm／℃以上，无法满足高精度的需要。

基于以上的要求，在此设计一种适合高精度应用场合的基准电压源。

在传统带隙基准的基础上利用工作在亚阈值区MOS管电流的指数特性，提出一种新型二阶曲率补偿方法。

同时，为了尽可能减少电源电压波动对基准电压的影响，在设计中除了对带隙电路的镜相电流源采用cascode结构外还增加了高增益反馈回路。

在此，对电路原理进行了详细的阐述，并针对版图设计中应该的注意问题进行了说明，最后给出了后仿真结果。

l 电路设计1．1 传统带隙基准分析通常带隙基准电压是通过PTAT电压和CTAT电压相加来获得的。

由于双极型晶体管的基一射极电压Vbe 呈负温度系数，而偏置在相同电流下不同面积的双极型晶体管的基一射极电压之差呈正温度系数，在两者温度系数相同的情况下将二者相加就得到一个与温度无关的基准电压。

传统带隙电路结构如图1所示，其中Q2的发射极面积为Q1和Q3的m倍，流过Q1～Q3的电流相等，运算放大器工作在反馈状态，以A，B两点为输入，驱动Q1和Q2的电流源，使A，B两点稳定在近似相等的电压上。

假设流过Q1的电流为J，有：由于式(5)中的第一项具有负温度系数，第二项具有正温度系数，通过调整m值使两项具有大小相同而方向相反的温度系数，从而得到一个与温度无关的电压。

理想情况下，输出电压与电源无关。

然而，标准工艺下晶体管基一射极电压Vbe随温度的变化并非是纯线性的，而且由于器件的非理想性，输出电压也会受到电源电压波动的影响。

一种高精度低电源电压带隙基准源的设计输出不随温度、电源电压变化的基准电压源，在模拟和混合集成电路中应用广泛，特别是在高精度的场合，基准电压源是整个系统设计的前提。

由于带隙基准电压源具有较低的温度系数和高电源电压抑制比，以及能与标准CMOS 工艺相兼容等优点，因而成为常用的基准电压源实现方式。

文献设计了具有温度补偿的传统带隙基准电路，但其电源电压和温度系数过高，且输出电压约在1．25 V，难以满足低压的要求。

文献设计了低电源电压带隙基准电路，但输出基准电压过高。

文献提出了解决方法，设计了低压带隙基准源，电路结构复杂。

文在分析几种基准源的基础上，采用0．25 μmCMOS 工艺设计了一种低电源电压、低输出电压、高电源电压抑制比、高精度的带隙基准源，经Hspice 仿真表明设计的电路具有良好的性能。

1 Baftda 提出的低压带隙基准电路统的带隙基准电路的原理是将两个具有相反温度系数的电压以适当的权重相加，基准电压的典型值约为1．2 V。

Banda 提出了电流求和型带隙基准电路，对产生的正负温度系数的电流加权求和，然后让这个电流流过电阻，产生和温度无关的基准电压，如图1 所示。

M1 和M2，M3 管的尺寸相同，R1 和R2 的值相等，输出的基准电压近似为只要调整R2 和R3 的比值，就可以控制带隙基准电压的数值，得到低于传统带隙基准电压的值。

带隙基准电路的电源电压的最小值受到两个限制(1)输出基准电压的大小限制了电源电压其中，VSDati 为工作在饱和区的CMOS 管的源漏极电压(2)运放的输入电压也会限制电源电压如果运算放大器采用PMOS 差分输入，最小电源电压在这两个因素的限制下，带隙基准电路的电源电压一般在2 V 以上。

本文从两个方面入手，设计了低电源电压、低输出电。