1.2V基准电压源设计

1.2V基准电压源设计

冯超;汪金辉;万培元;侯立刚

【摘要】基于0.35µm CSMC CMOS工艺设计并流片了一款典型的带隙基准电压源芯片，输出不随温度变化的高精度基准电压。电路包括核心电路、运放和启动电路三部分。芯片在3.3V供电电压，-40oC到80oC的温度范围内进行测试，结果显示输出电压波动范围为1.2128V~1.2175V，温度系数为32.2 ppm/oC。电路的版图面积为135µm×236µm，芯片大小为1 mm×1 mm。%A typical bandgap voltage reference based on a 0.35 µm CSMC CMOS technology is designed and fabri-cated. The overall bandgap architecture is optimized to achieve high accuracy temperature independent voltage reference. The design consists of the bandgap core circuit,op-amp,and start-up circuit. The test results show that the bandgap reference circuit provides reference voltage from 1.2128V to 1.2175V with 3.3V power supply when temperature ranges from-40 oC to 80 oC,and the temperature coefifcient is 32.2 ppm/oC. The total layout area including dummy structures is 135 µm×236 µm,and the die area is 1 mm×1 mm.

【期刊名称】《软件》

【年(卷),期】2014(000)005

【总页数】4页(P33-36)

【关键词】基准电压源;温度系数;基准电压

【作者】冯超;汪金辉;万培元;侯立刚

【作者单位】北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124;北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124;北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124;北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124

【正文语种】中文

【中图分类】TN432

基准电压源是模拟集成电路的重要组成部分，在许多集成电路中都需要精密又稳定的电压基准，如模数转换器、数模转换器、线性稳压器和开关稳压器。目前采用的基准电压源设计方法主要有三种：掩埋齐纳二极管、XFET（外加离子注入结型场效应管）和带隙基准电压源，带隙基准电压源包括双极型和CMOS带隙基准源[1][2]。掩埋齐纳二极管基准电压源和XFET基准电压源都具有精度高、稳定性好的特点，但是二者的制造过程不能与标准CMOS工艺兼容，并且掩埋齐纳二极管基准源的电源电压高、工作电流大、功耗大[2]。

基准电压源设计的关键点在于精度高、温漂小，带隙基准电压源利用硅的能带隙作为基准电压，可以实现高精度，采取一些温度补偿的办法，可得到几乎不受温度影响的基准电压。近年来，随着CMOS的发展，与之兼容的带隙基准源得到更加广泛的应用与研究。

本文根据带隙基准电压源原理，设计及实现一款基于CMOS工艺的低温漂电压基准电路，并经流片和测试，验证其低温漂性。

基准电压源输出的基准电压不随温度变化。为了得到零温度系数的电压，可利用两个具有相反温度系数的量以适当的权重相加。双极型晶体管的基极-发射极电压VBE具有负的温度系数（CTAT complementary to absolute temperature），两个双极型晶体管的VBE做差可得到具有正温度系数（PTAT proportional to absolute temperature）的电压，将二者以适当的权重相加可以得到零温度系数

电压[3][4]。

双极晶体管，集电极电流（IC）与基极-发射极电压的关系由公式1给出[3]

其中，IS是双极晶体管的饱和电流，VT= kT / q，为热电压，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电量。进一步，可以得到在给定温度T下VBE的温度系数[3]

其中，m ≈ -1.5，为迁移率温度指数，Eg≈1.12eV，为硅的带隙能量。由公式2可见，VBE呈现出负温度系数。

如果两个相同的晶体管（具有相同的饱和电流IS1=IS2=IS）偏置的集电极电流成一定比例关系，假设分别为nI0和I0，忽略基极电流，可得它们的基极-发射极电压差ΔVBE

由公式3可以看出，两个晶体管的基极-集电极电压差ΔVBE表现出正温度系数。利用以上两个表现出相反温度系数的电压可以得到不受温度影响的电压VREF

选择适当的α和β及n值，便可以得到理论上不受温度影响的基准电压。另外，还注意到，晶体管的VBE几乎与电源电压无关，所以，得到的基准电压也几乎与电源电压无关[3]。

以上所述的原理如图1所示。

本文中完整的基准电压源电路如图2所示，共有三部分组合而成

由MOS管M1-M2、运放A1以及双极晶体管Q1和Q2组成电路产生正温度系数电压；

由MOS管M3，R2和Q3组成电路产生负温度系数电压；

由MOS管M4-M9组成的启动电路。

如图2中所示的基准电压源中，PMOS管M1和M2尺寸相同，漏极分别和运放的差分输入节点X和Y连接，VX和VY作为运放的输入，运放的输出接M1和M2管的栅极，进行偏置，此结构保证X和Y节点处在同样的电压，因而两MOS

管流过的电流大小是相等的，I1=I2=IR1，则通过电阻R1的电流大小由公式5给出[3]

因此，由公式4可以得到图2中的基准电压源产生的基准电压

其中，VBE，Q3具有负温度系数，ΔVBE具有正温度系数，R2/R1、m = （W/L）3（L/W）2以及 n = IQ1/ IQ2都是与温度无关的参数，选取适当的量就可以得到与温度无关的基准电压，本文中m=1，n=8，R2/R1=10。

3.1 运放

运放需要很高的增益使节点X、Y处于相等电位，保证I1=I2=IR1，因此，本文选择了折叠式共源共栅运放，如图3中所示。高增益的运放强制使图2中的X、Y节点处于相同电位[3]，两双极型晶体管Q1、Q2的基极-集电极电压差ΔVBE具有

正温度系数，此电压降落在电阻R1上。此折叠式共源共栅运放可以得到83dB的高增益。

3.2 偏置电路

如图3中所示，MOS管M10-M16作为偏置电路，为折叠式共源共栅运放提供偏置电压。

3.3 启动电路

启动电路在本文中提到的基准电压源结构中是十分必要的。当电源上电时，所有晶体管传输电流为零，而晶体管M1、M2和运放A1组成的环路允许零电流情况，

则会一直保持此状态。启动电路的目的是驱动电路摆脱零电流状态，当主体电路开启后，启动电路应被关闭[5]。

如图2中所示，晶体管M3-M9。组成启动电路当电源上电时，核心电路没有电流流过，但晶体管M5在电源电压的驱动下导通，把P点电压拉低，经过晶体管M6和M7组成的反相器，晶体管M8的栅端电压被拉高，M8管导通使M1、M2管的栅端电压被拉低，从而各支路导通，核心电路有电流流过。当经过M4管的支