一种BiCMOS带隙基准电压源的设计

第34卷　第3期2006年　3月　华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Nature Science Edition )Vol.34No.3　Mar.　2006收稿日期:2005203228.作者简介:应建华(19542),男,副教授;武汉,华中科技大学电子科学与技术系(430074).E 2m ail :jhying @基金项目:湖北省信息产业专项资金资助项目(05060).一种BiCMOS 带隙基准电压源的设计应建华　彭　颖　陈　嘉(华中科技大学电子科学与技术系,湖北武汉430074)摘要:设计了低温度系数、高电源抑制比BiCMOS 带隙基准电压发生器电路.综合了带隙电压的双极型带隙基准电路和与电源电压无关的电流镜的优点.电流镜用作运放,它的输出作为驱动的同时还作为带隙基准电路的偏置电路.使用0.6μm 双层多晶硅n 2well BiCMOS 工艺模型,利用Spectre 工具对其仿真,结果显示当温度和电源电压变化范围分别为-45～85℃和4.5～5.5V 时,输出基准电压变化1mV 和0.6mV ;温度系数为16×10-6/℃;低频电源抑制比达到75dB.电路在5V 电源电压下工作电流小于25μA.该电路适用于对精度要求高、温度系数低的锂离子电池充电器电路.关　键　词:带隙基准电压源;低温度系数;高电源抑制比中图分类号:TN710.2 文献标识码:A 文章编号:167124512(2006)0320065203Design of a bandgap voltage reference of BiCMOSYi ng J i anhua Peng Yi ng Chen J i aAbstract :A bandgap voltage reference (B GR )of BiCMOS wit h high PSRR and low power dissipation was designed.The bipolar bandgap voltage reference circuit and an OPAM P ,supply 2independent bia 2sing ,were used in t he design.The outp ut of t he OPAM P ,as a bias of t he bipolar circuit ,was used to drive t he next stage.A mixt ure signal model of 0.6μm 2double poly 2n 2well BiCMOS was simulated by Spectre tool.The simulatio n result s showed t hat t he outp ut voltage varies wit hin 1mV and 0.6mV wit h temperat ure range of -45℃to 85℃and t he supply voltage f rom 4.5V to 5.5V respectively wit h a temperat ure coefficient of 16×10-6/℃.The low f requency of PSRR is higher t han 75dB and t he maximum supply current is 25μA wit h t he 5V supply.This circuit is adapted to integrated linear chargers wit h high p recision and stability and low temperat ure coefficient for single cell Lit hium 2ion batteries.K ey w ords :bandgap voltage reference ;low temperat ure coefficient ;high PSRRYing Jianhua Assoc.Prof.;Dept.of Electronics Sci.&Tech.,Huazhong Univ.of Sci.&Tech.,Wuhan 430074,China. 在便携式产品向更小更轻的方向发展的今天,选用单节锂离子电池供电已成为产品设计者的普遍选择.锂离子电池的不足之处在于对充电器要求比较苛刻,需要保护电路.锂离子电池要求的充电方式是恒流2恒压方式,为了有效利用电池容量,需将锂离子电池充电至最大电压,但是过压充电会造成电池损坏,这就要求较高的控制精度.另外,对于电压过低的电池需要进行预充,充电器最好带有热保护和时间保护,为电池提供附加保护.由此可见,实现安全高效的充电控制成为锂离子电池推广应用的瓶颈[1],而基准源作为锂离子电池充电器的核心部件,其设计尤为重要.由于带隙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.传统的具有温度补偿的带隙电压基准源电路,其电源电压抑制比和温度系数过高,而且输出参考电压都在1.25V 左右[2].降低基准电压对于降低芯片功耗具有重要的意义.为了得到较低的基准源电压,就必须对传统的带隙电压基准源结构进行改进或提出新的带隙基准源结构.为此,本文提出了一种基于BiCMOS 工艺的带隙基准源电路.该电路可用于单个锂离子电池充电器.1　带隙基准电压源电路的结构图1所示的是带隙基准电压源电路的原理图.电路的设计采用了N PN 管Q 12Q 2作为带隙基准源电路的主体部分;M 12M 6构成一个与电源无关的偏置电路,用作简单的运算放大器;Q 32Q 4构成差分结构的反馈电路以保证输出基准电压的稳定.为保证启动时电路顺利地工作,设计中加入了由M 2,Q 5和R 8构成的启动电路.R 9,Q 6,Q 7组成的支路为启动电路中的Q 5提供一个约为1.4V 的偏置电压.电路图中主要电阻的相对大小为:R 1+R 2=R 3,R 2=R 7.图1　带隙基准电压源电路的原理图2　电路工作原理2.1　带隙基准电压产生电路对于双极型晶体管,其B E 结正向电压V BE 具有负的温度系数[3]5V BE /5T -2mV/°C ,而等效热电压V T 具有正的温度系数5V T /5T 0.086mV/°C.带隙基准电路就是利用V BE 和V T 的温度特性来实现温度补偿,从而使电路具有近似为0的温度系数.从图1上可以看到,B 点和C 点的电压分别为:V B =V BE1,V C =V BE4.可列出等式V BE1 I 1R 4+V BE2+I 2R 6,(1)式中I 1,I 2分别为流过Q 1,Q 2集电结的电流.由于所使用的N PN 管的β值较大,约为90,为了简化表达式,因此忽略了所有流入三极管基极的电流.由式(1)可得ΔV BE =V BE1-V BE2=I 1R 4+I 2R 6. 下面分别给出I 1和I 2的表达式:I 1=(V ref -V BE1)/(R 1+R 2),I 2=(V ref -V BE4)/R 3.忽略Q 1,Q 3和经R 5流入Q 2的基极电流,可以得到V ref =V BE1+[(R 1+R 2)/(R 4+R 6)]V T ln N ,式中N 为晶体管Q 1与Q 2的面积比值,此处N =10.选择合适的电阻比值和晶体管Q 1与Q 2的面积比值N ,可使输出电压V ref 的温度系数为零.2.2　偏置电路上面介绍了电路中基准电压产生电路的工作原理.但这种电路对电源的抑制能力较差,因此它无法提供与绝对温度成正比的(P TA T )电流.为了增加电路对电源的抑制能力,即提高电路的电源抑制比(PSRR )[4],设计中采用了与电源无关的电流源作为带隙基准的偏置电路.为论述方便,现以一个典型的与电源无关的偏置电路为例进行说明,如图2所示[3].图2　与电源无关的偏置电路由于M 3,M 4具有相同的物理尺寸,因此要求I out =I ref .由I DS =[μn C ox (W /L )N /2]V 2DS ,可得V DS ={2I DS /[μn C ox (W /L )N ]}1/2.根据V GS1=V GS2+I D2R S 可得　{2I out /[μn C ox (W /L )N ]}1/2+V TH1={2I out /[μn C ox (W /L )N]}1/2+V TH2+I out R S .(2) 忽略体效应可得{2I out /[μn C ox (W /L )N]}1/2(1-1/K )=I out R S ,因此电流源的输出电流　I out ={2/[μn C ox (W /L )N ]}・(1/R 2S )(1-1/K )2. 由式(2)可见,这个电流与电源电压无关.该偏置电路与带隙基准电路组合即可构成P TA T・66・ 华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)　第34卷电流产生电路.I5即为P TA T电流,I5分流在R s 上产生的就是P TA T基准电压.2.3　差分反馈电路Q32Q4构成差分结构的反馈电路,用以稳定基准电压.只有当V ref为一个稳定值V0时,流过Q3和Q4的电流才能相等.电路的反馈机制如下:若由于电源电压的变化导致V ref下降,则会引起A点电压较C点高,从而Q3的基极电位较Q4变高,I3升高,I4降低.单从I3流过的支路分析, I3变大由D点电位变低引起.再从I4流过的支路看,由于D点电位变低,流过M3的电流也增大;由前面的讨论,I4是减小的,因此可以认为有电流从结点E流出,对M7的栅极充电.这将使得M7的栅压升高,I5增大,从而V ref升高.这个过程使得V ref始终处于稳定状态.差分电路的反馈机制提高了基准电压电路的稳定性.2.4　启动电路当系统接通电源时,可能出现某些支路的电流为0、电路工作不正常的情况.为了使电路处于工作平衡点,基准电压源增加了启动电路[5](M2, Q5和R8).当V ref较低时,有电流从启动电路流过,R8的压降升高,V ref逐渐升至1.21V.由于Q5的基极偏置电压约为1.4V(两个N PN管Q6,Q7的B E结电压之和),Q5进入截止状态.在启动电路中,各MOS管的宽长比的选择要保证启动过程的顺利进行,同时还应注意启动过程瞬间电流不能过大,最好小于工作电流的1/2.因此在电路中把与电源无关的偏置电路的5个PMOS管分出一个作为启动电路的一部分,使得启动电流不至于过大.3　版图设计及仿真结果本文设计的基准电压源采用0.6μm BiCMOS工艺实现.由于是模拟电路,版图设计需要很高的精度,器件应该匹配,布局布线要合理.对于具体电路的实现,电阻采用多晶硅(Poly)电阻,其绝对精度约为20%左右,但相对精度能做得很高,约为小于1%,V ref的取值及d V ref/d T=0的条件取决于(R1+R2)/(R4+R6)电阻的相对比例,因此这种结构的电路可得到一个高精度低温度系数的基准电压源.可调电阻R adj用于提高带隙基准电压的精度.流片后根据实际得到的基准电压值调整R adj 以得到要求的精确的基准电压.R adj的实现依赖于工艺,目前的方法主要有Trimming和数字调整.由于要实现Q1和Q2发射极面积之比为1∶10的关系,在布版时考虑把10倍的管子对称地分放在Q1两边,以增加匹配性.仿真利用Spect re 工具.在典型工艺模型下电路工作电压为5V,25℃时带隙电压源输出基准电压为1.21V,电路工作电流小于25μA,功耗小于125μW.图3所示的是输出基准电压随温度变化的波形图.从图中可以看到,在典型平均值仿真参数5V电源电压状态下,当温度变化范围为-45～85℃时,输出基准变化1mV,温度系数为16×10-6/℃[6].图4所示是输出基准电压随电源电压变化的仿真结果.电源电压在4.5～5.5V范围内波动时,输出基准变化0.6mV.电路电源电压抑制比达到75dB.图3　输出基准电压随温度变化的波形图图4　输出基准电压随电压变化的仿真结果仿真结果显示出电路具有良好的特性,适用于对精度要求高、温度系数低的锂离子电池充电器电路.参考文献[1]樊晓燕,王兴君.锂离子电池充电器中基准源的设计[J].现代电子技术,2004(24):27229.[2]朱正涌.半导体集成电路[M].北京:清华大学出版社,2001.[3]Razavi B.Design of analog CMOS integrated circuits[M].Singapore:Mc Graw2Hill Book Co2Singapore, 2001.[4]Tham K,Nagaraj K.A low supply voltage highPSRR voltage reference in CMOS process[J].IEEE Solid2State Circuits,1995,30(5):5862590.[5]刘　韬,徐志伟,程君侠.一种高电源抑制比CMOS能隙基准电压源[J].微电子学,1999(4):1282131. [6]Meijer G C M,Schmale P C,Zalinge K V.A newcurvature2corrected bandgap reference[J].IEEE Sol2 id2State Circuits,1982,17(11):113921143.・76・第3期 应建华等:一种BiCMOS带隙基准电压源的设计 。