一種帶隙基準電壓源的設計與仿真

摘要 設計了一款帶隙基準電壓源，基于0．18μm的CMOS工藝，在Hspice下仿真，仿真結果表明，溫度在-25～80℃內變化時，溫度系數為9．14×10-6℃；電源電壓在3～5 V之間變化時，基準電壓在1 250±43 mV內變化，滿足設計要求。
關鍵詞 帶隙基準；溫度系數；互補金屬氧化物半導體(CMOS)

基準電源與電源本身及其工藝關系很小，而溫度特性穩定，被廣泛使用在模擬電路之中。基準電源的溫度特性和噪聲特性是決定電路精度和性能的重要因素。基準電源的輸出電壓和(或)電流幾乎不受溫度和電源電壓的影響，是模擬集成電路中不可或缺的關鍵模塊。基準電源根據輸出的類型可分為基準電壓源和基準電流源。基準電壓源主要有齊納二極管、隱埋齊納二極管和帶隙基準電壓源3種，基準電流源主要是簡單基準電流源、閥值電壓相關電流源和帶隙基準電流源。準電壓源和基準電流源兩者并不孤立，電壓基準可以轉換為電流基準，電流基準也可以轉換為電壓基準。

1 帶隙基準電壓源的基本原理
帶隙基準電壓源的基本原理是利用雙極型晶體管基區一發射區電壓VBE具有的負溫度系數，而不同電流密度偏置下的兩個基區一發射區的電壓差△VBE具有正的溫度系數的特性，將這兩個電壓線性疊加從而獲得低溫度系數的基準電壓源。
利用VBE的負溫度系數和△VBE的正溫度系數，就可設計出零溫度系數的基準電壓源。即VBEF=α1VBE+α2(VTln n)。在溫室下，，令α1=1，αln n≈17．2時，可得到零溫度系數的基準為

根據上述理論分析可得到如圖1所示的帶隙基準電路架構圖，其中在鴨管的漏極可得到與絕對溫度成正比(PTAT Proportional to Abso-lute Temperature)的電流，先進行理論推導。首先輸出基準電壓為

M1、M2和M3采用相同的偏置電壓，可得到相同的導通電流ID，放大器保證M1和M2的漏極電壓相等，得

根據上述分析可知，適當調節晶體管的發射極面積和電阻大小，即可得到溫度系數為零的輸出基準電壓。本文設計的帶隙基準電壓源正是基于此電路構架圖而得到的。