带隙基准源原理简介

带隙基准源原理简介

1.1基准电压源的几项主要性能指标

产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压。因此，基准的设计就是要解决以下两个问题：与电源无关的偏置和温度关系的确定。利用正温度系数电压和负温度系数电压，我们可以可以设计出一个令人满意的零温度系数的基准，这就是带隙基准电压源。下面我们来介绍基准电压源的几项主要性能指标。

1.1.1温度系数

温度系数(Temperature Coefficient,单位ppm/oC)是基准电压源在整个扫描的工作温度范围内，输出电压的最大值和最小值的差值，相对于正常输出电压的变化。温度系数表征基准电压源电路受温度变化影响的大小，性能优异的基准源电路设计具有非常小的温度系数。温度的变化而引起输出电压的变化，其单位表示为ppm/oC，计算公式如下所示：

（2-1）

1.1.2电源抑制比

电源抑制比(PSRR：Power supply Rejeetion Ratio，单位：分贝或dB)在小信号情况下，基准电压源的输出变化量与电源电压的变化量之比。基准电压源电路的输出电压,既要受到环境温度的影响，而且还要受到电源电压噪声的影响。所以性能优良的基准电压源电路，能够很好的抑制电源电压对于电路的影响。

1.1.3线性调整率

在直流状态下，电源电压的波动对于基准源的影响程度。其公式为：

（2-2）

1.1.4建立时间

从电源上电到基准源输出达到正常输出电压的那段时间。

1.2传统带隙基准源的基本原理和结构

1.1.1 概述

基准源在集成电路设计中是极其重要的基本单元电路，然后在不同的应用电路中经常需要设计不同的基准源。比如传统的带隙基准源电路，具有较低的温度系数、较低的电源电压以及可以与标准CMOS工艺兼容等等特点,成为一种广泛使用的典型基准源电路模块。设计基准电路的目的是为了建立一个与电源和工艺都无关，而且具有确定温度特性的电流或电压。由于许多工艺参数要随温度的改变而改变，所以如果所设计的基准源与温度没有关系的话，那么它与工艺也是没有关系的。

典型的带隙基准源的工作原理是，让两个具有相反温度系数的量以适当权重进行相加，那么所得结果就会是零温度系数。这两个相反的温度系数即：负温度系数和正温度系数。用负温度系数和正温度系数相互抵消，来达到温度补偿的目的。比如，对温度的改变有两个电压是互相反向变化的V1和V2的话,那么我们可以假设β1和β2使得β1∂V1/ ∂T + β2∂V2/ ∂T =0，这样就可以得到零温度系数电压基准，V Ref = β1V1 + β2∂V2。如图2-1所示，其中V T是具有正温度系数的电压，V BE是具有负温度系数的电压，将这两个电压按照一定比例相加，就能够得到零温度系数的基准输出电压V Ref。

1.1.2正温度系数电压的产生原理

图2-1 典型带隙基准源原理图

如图（1.2）所示，正温度系数的电压可以通过两个双极性晶体管在不相等的电流密度情况下工作时从它们的基极一发射极的电压差值而得到。假如两个相

同的晶体管（I S1= I S2）偏置集电极电流分别是nI 0和I 0，同时忽略他们的基极电流，

则可以写出下式：

这样，V BE 差值表现为正的温度系数：

1.1.3负温度系数电压的产生原理

双极性晶体管的基极一发射极的电压，或者说PN 结二极管正向电压，是一个负温度系数的电压。对双极性器件来说，我们可以写出Ic=Is exp(VBE/VT)，其中V T =kT/q ，饱和的电流Is 正比于μ kTn i 2，式中μ是少数载流子迁移率，n i 是硅本

征载流子浓度。这些参数与温度的关系式为μ，其中m ≈ -3/2，并且n i 2 ∝, .T 3exp[-Eg/(kT)]，其中Eg ≈ 1.12eV ，是硅的带隙能量。所以可以写出：

其中，b 是比例系数。写出V BE =V T ln (I c / I s )，我们就能计算基极-发射极电压的温度系数。在对T 取导数，我们肯定知道Ic 保持不变。所以

由(2-5)式,可以写出：

因此我们可以得到

（2-3）

（2-4）

图1.2 PTAT 电压产生原理图

（2-5）

（2-6）

（2-7）

由(2-6)和(2-8)两式,我们可以得到下式：

式(2-10)给出了在一定温度T下基极-发射极电压的温度系数，从中能够得出其与V BE本身的大小有关。在V BE≈ 750mV，T=300K时，ðV BE /ðT ≈ -1.5mV / K。

从公式(2-10)可以看出，V BE的温度系数其本身跟温度是有关系的，假如正

（2-9）

（2-10）温度系数的量表现出一个固定的温度系数，则恒定基准电路中则会产生误差。

1.1.4典型带隙基准源的原理

（2-11）带隙基准源利用正温度系数和负温度系数的两个电压，进行相互补偿而得到一个温度系数接近于零的输出电压。因为有V REF =α1V1 + α2(V T ln n)，所以V T ln n 是两个在不同电流密度下工作的双极性晶体管的基极-发射极电压的差值。由于在室温下。ðV BE /ðT ≈ -1.5mV/K，ðV T /ðT ≈ +0.087mV/K，所以可以设α1 = 1，让α2ln n使得(α2ln n) (0.087mV / K) =1.5 mV / K，即α2ln n =17.2，表明零温度系数基准是：

让我们来完成设计一个V BE和17.2 V T相加的电路。先考虑图2-3所示的结构，假设基极电流能够忽略，晶体管Q2是用n个并列的晶体管组成，而Q1是一个晶体管单元。假设用一种方法强制V O1与V O2相等,则叽V BE1 =RI+ V BE2，即RI= V BE1 - V BE2 = V T ln n，所以V O2 = V BE2 + V T ln n，这就意味：假如ln n = 17.2，V O2则能够作为与温度没有关系的基准。