一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析(最终版)

一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析摘要：本文根据基准产生的基本原理、特性，并对传统的基准源电路结构进行分析和总结的基础上，综合了温度补偿及电阻分压技术，省去了差动放大器的设计方式，设计出了一款能应用于开关电源控制芯片的高性能带隙基准源。

本电路基于6μm标准BJT工艺实现，仿真结果表明当电源电压为15V时，在T A=25°C时，V ref输出为5V；当12V≤V CC≤25V时，线性调整率为0.16mV；当1mA≤I0≤20mA时，负载调整率为1.61mV左右；温度稳定性良好，大约为0.05mV/°C。

关键词：基准源；开关电源控制芯片；线性调整率；温度稳定性0.引言随着集成电路技术的高速发展，对A/D （模/数转换器）、D/A （数/模转换器）、PLL (锁相环）、DRAM （动态存储器）[1]、开关电源控制器等电路模块提出了更高的精度和速度的要求，为了能高性能地实现以上功能模块，高稳定度、低压基准源的设计是十分关键的。

为了获得一款能够广泛应用于开关电源的基准源，本文设计省去了使传统电路处于深度负反馈的差动放大器，简化了设计，并结合先前的一阶温度补偿技术及相关的外围辅助电路给出了一款输出值宽范围可调的带隙基准源。

1.基本带隙基准源的原理分析假设将两个具有相反温度系数的电压量以适当的权重相加，就能设计出令人满意的零温度系数的输出电压。

带隙基准源就是利用以上基本原理而得到。

由于双极晶体管的基极-发射极电压V BE 具有负温度系数。

对于双极器件，我们有exp BE C S T V I I V =⎛⎫⎪⎝⎭，其中T kT V q =，I S 为饱和电流[2]，ln C BE T S I V V I =⎛⎫ ⎪⎝⎭。

通过对V BE 的温度特性做了详细的研究[3]，在常温下1.5/BE V mV K T∂∂≈，然而0.087/T V mV KT∂≈+∂。

1964年Hilbiber 认识到[4]，如果两个双极性晶体管工作在不相等电流密度下，他们的基极—发射极电压差值就与绝对温度成正比（21ln BE BE BE T V V V V n ∆=-=），这样，ΔV BE 就表现出正温度系数特性。

即：REF BE T V V KV =+ （1）V REFQ 2R 2R 1OP -+V DDIN Q 1图1 带隙基准源原理图Fig.1 The schematic of band-gap reference如图1，即为带隙基准源的基本原理图[5]。

图中由于电流镜的作用，使得两支路上的电流值相等（12C C I I =)，放大器OP 处于深度负反馈的情况下，使得V V +=-，晶体管Q 1的发射极面积是Q 2的n 倍。

因此，在电路平衡时，以及运算放大器输入端电压“虚短”，我们可以得到：2111BE BE BE C V V V I R ∆=-= （2） 由已知公式可得： 111ln C BE T S I V V I =⎛⎫⎪⎝⎭;122ln C BE T S I V V I =⎛⎫⎪⎝⎭， （3） 由等式（2）、（3），可得：12112112ln S BE BE T C C S I V V V I I R R I -===⎛⎫⎪⎝⎭， （4） 已知晶体管Q 1的发射极面积是晶体管Q 2的n 倍，得到流过右边支路的电流为1ln Tn V R,因此输出电压为：1121ln ()T REF BE V n V V R R R =++，（5）211l n 1T BE R V V n R =++⎛⎫⎪⎝⎭，（6） 为了得到零温度系数(即0REF V T∂=∂)，必须使得211+ln 1.72R n R ⎛⎫≈ ⎪⎝⎭。

例如，我们可以选择31n =，214R R =。

然而，由于一定的失调电压V os 存在于实际电路中[6]，且对基准源精度产生影响，即()211ln 1REF BE T OS R V V V n V R =+-+⎛⎫⎪⎝⎭， (7) 可见运放的失调电压大小会导致相当大的基准输出电压误差。

一般情况下可以采用两级运放作为反馈用以降低失调电压误差。

因此，为了进一步降低失调电压误差，就必须对基准源结构进行改进和提高。

2.输出可调的高精度带隙基准电压源[7]-[9]由于该基准电压源是为了应用在一个电源电压为15V 的开关电源电路中。

基准源的一个最重要的指标就是温度系数，为了能实现高性能的指标设计，要求所设计的基准电压源的温度系数应尽可能低。

为了配合其他电路模块的设计条件需求，即要实现参考电压输出的可配置性。

如图2所示，即为所设计的基准源电路。

该基准电压源采用了一阶温度补偿技术、过流保护技术及电阻分压的修正技术，设计出了可为开关电源模块电路提供基准电压和偏置电压的带隙基准电路，且该电路设计摒弃了文献[6]、[8]中用于稳定输出电压的差动放大器的设计方式，简化了设计，并能提供5.0V 左右的外输出电压。

Q 14Q 15Q 16Q 7Q 6Q 5Q 4Q 3Q 1Q 2R 1R 2GNDR 4Q 8R 5CQ 12R 7Q 11R 6Q 10Q 9R 8R 9R 10R 11R 3V CCV refQ 13图 2 设计的基准源整体电路图Fig.2 the design of circuit of band-gap reference图2中由Q 1、Q 2、R 1、R 2、R 3、R 8、R 9、R 10组成基准电压源电路，其中Q 3用于限制管子Q 1上的电流大小，且由于电流镜Q 4、Q 5的作用，使得Q 1、Q 2支路上的电流值相等，Q 1、Q 2的发射区面积之比为6∶1。

因此，由于两个双极晶体管（Q 1和Q 2)工作在不相等的电流密度下，则他们的基极—发射极电压的差值就与绝对温度成正比，并在R 1上产生PTAT 电流I PTAT 为：(8)其中，A 为Q 1、Q 2发射区面积之比（在这里我们设为6，在版图设计时，Q 1由6个相同的晶体管并联而成）。

产生的PTAT 电流在R 2、R 3上形成压降（R 3为基准修调电阻），与V BE2叠加在一起形成基本的基准电压,即：()223BE PTAT V V I R R =++()2231l n 6BE T VRRV R =++ , （9）我们可以通过调节（R 2+R 3）与R 1的比值来调节V 的大小，大约为1.25V 。

R 8、R 9、R 10为内部模块电路提供分压，用于修正电压值的输出，这里V ref ≈5V 。

启动电路由Q 10、Q 9、R 5、Q 8、R 4、Q 7、Q 14构成。

当电源电压V CC 工作后，Q 9、Q 10组成的电流镜工作，从而使Q 8导通，这样Q 14、Q 7组成的恒流源工作，给Q 6提供基极电压和集电极偏置而使其导通工作，从而在V ref 引出端得到5V 左右的输出基准电压，此时，由于电阻R 8上压降的升高，从而使得Q 8截止，启动电路停止工作。

R 11、Q 13、Q 15组成一个过流保护电路，R 11为过流保护取样电阻。

3.仿真结果的讨论与分析本设计采用6μm BJT 工艺，T A =25°C 时，用仿真器spectre 对电路进行tt 标准仿真。

采用15V 电源电压，得到的基本带隙基准电压为1.25V ，输出的V ref =5.002V ，符合4.90V 到5.10V 之间的设计指标。

（1）线性调整率121722275.001925.001985.002045.00210DC Responserefr e f (v )dc (V)图 3 基准电压线性调整率 Fig.3 The line regulation of circuit如图3所示，当12V≤V CC ≤25V 时，根据仿真结果计算得到线性调整率为0.16mV/V 。

满足了指标要求。

（2）负载调整率1101005.00015.00075.00135.0019r e f (V )dc (mA )refDC Response图 4 基准电压负载调整率 Fig.4 The load regulation of circuit从图4可以看出，当电源电压V CC =15V ，且让输出电流I 0在1mA ～20mA 变化时，可以算出负载调整率在1.61mV 左右，满足了必须小于25mV 的设计指标，并且效果良好。

（3）温度稳定性2121111ln ln ln PTATC C T T S S BE T I I V V I I V V A I R R R -∆===-70-2030801304.9934.9954.9974.9995.0015.003r e f (V )temp (C)refDC Response图 5 基准电压温漂Fig.5 The temperature coefficient of circuit通过图5的仿真波形中可以看出，当-55°C≤T A ≤125°C 时，温度稳定性良好，大约为0.05mV/°C ，达到了应用的要求。

4.总结与分析由以上设计的带隙基准可知，本文在对传统带隙电压基准源电路的分析和总结的基础上，提出了一种新型的BJT 带隙电压基准源。

该基准源的设计省去了传统的差分放大器设计方式，使得电路变得更简单并趋于稳定。

可靠性较高，能在-55°C ～125°C 宽温度范围内稳定工作。

仿真结果证明了设计的正确性，达到了应用的设计要求。

参考文献[1] 谢佳. 高性能带隙基准源的设计与实现[D]. 电子科技大学硕士学位论文[2] Behzad Razavi,陈贵灿，程军译. 模拟CMOS 集成电路设计[M],西安交通大学出版社，2002 [3] Y P Tsividis. Accurate analysis of temperature effects in IC-VBE characteristics with application to band-gap reference sources[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,1980(15): 1076-1084[4] D Hilbiber. A New Semiconductor V oltage Standard[C]. ISSCC Dig of Tech. 1964: 32-33 [5] K E Kujik. A Precision Reference Voltage Source[J]. IEEE Journal of Solid State Circuits, 1973(8): 222-226[6] 朱樟明,杨银堂. 一种10-ppm /oC 低压CMOS 带隙电压基准源设计[J]. 电路与系统学报. 2004,9(4) [7] 徐欣. 反激式单片开关电源芯片的研究和设计[D]. 电子科技大学硕士学位论文[8] 王永顺,史琳. 一种输出可调CMOS 带隙基准电压源的设计[J]. 集成电路设计与开发. 2010,35(7)[9] 刘春娟,刘肃. 一种高精度自偏置带隙基准电压源的设计[J]. 兰州交通大学学报.。