帶隙電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)與分析

摘要 介紹了基準(zhǔn)源的發(fā)展和基本工作原理以及目前較常用的帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了一種基于Banba結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)源電路，重點(diǎn)對(duì)自啟動(dòng)電路及放大電路部分進(jìn)行了分析，得到并分析了輸出電壓與溫度的關(guān)系。文中對(duì)帶隙電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)與分析，可以為電壓基準(zhǔn)源相關(guān)的設(shè)計(jì)人員提供參考。可以為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路、A／D和D／A轉(zhuǎn)化器提供基準(zhǔn)電壓，也是大多數(shù)傳感器的穩(wěn)壓供電電源或激勵(lì)源。
關(guān)鍵詞 基準(zhǔn)源；Banba結(jié)構(gòu)；帶隙基準(zhǔn)源；輸出電壓

基準(zhǔn)源廣泛應(yīng)用于各種模擬集成電路、數(shù)模混合信號(hào)集成電路和系統(tǒng)集成芯片中，其精度和穩(wěn)定性直接決定整個(gè)系統(tǒng)的精度。在模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)等集成電路設(shè)計(jì)中，低溫度系數(shù)、高電源抑制比(PSRR)的基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。
在集成電路工藝發(fā)展早期，基準(zhǔn)源主要采用齊納基準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)，如圖1(a)所示。它利用了齊納二極管被反向擊穿時(shí)兩端的電壓。由于半導(dǎo)體表面的沾污等封裝原因，齊納二極管噪聲嚴(yán)重且不穩(wěn)定。之后人們把齊納結(jié)移動(dòng)到表面以下，支撐掩埋型齊納基準(zhǔn)源，噪聲和穩(wěn)定性有較大改觀，如圖1(b)所示。其缺點(diǎn)：首先齊納二極管正常工作電壓在6～8 V，不能應(yīng)用于低電壓電路；并且高精度的齊納二極管對(duì)工藝要求嚴(yán)格、造價(jià)相對(duì)較高。

1971年，Widlar首次提出帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。它利用VBE的正溫度系數(shù)和△VBE的負(fù)溫度系數(shù)特性，兩者相加可得零溫度系數(shù)。相比齊納基準(zhǔn)源，Widlar型帶隙基準(zhǔn)源具有更低的輸出電壓，更小的噪聲，更好的穩(wěn)定性。接下來的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分別提出了改進(jìn)帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。新的結(jié)構(gòu)中將運(yùn)算放大器用于電壓鉗位，提高了基準(zhǔn)輸出電壓的精度。
以上經(jīng)典結(jié)構(gòu)奠定了帶隙基準(zhǔn)理論的基礎(chǔ)。文中介紹帶隙基準(zhǔn)源的基本原理及其基本結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種基于Banba結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)源，相對(duì)于Banba結(jié)構(gòu)，增加了自啟動(dòng)電路模塊及放大電路模塊，使其可以自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)并增加其穩(wěn)定性。

1 帶隙基準(zhǔn)源工作原理
由于帶隙電壓基準(zhǔn)源能夠?qū)崿F(xiàn)高電源抑制比和低溫度系數(shù)，是目前各種基準(zhǔn)電壓源電路中性能最佳的基準(zhǔn)源電路。
為得到與溫度無關(guān)的電壓源，其基本思路是將具有負(fù)溫度系數(shù)的雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE與具有正溫度系數(shù)的雙極晶體管VBE的差值△VBE以不同權(quán)重相加，使△VBE的溫度系數(shù)剛好抵消VBE的溫度系數(shù)，得到一個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。圖2為一個(gè)基本的CMOS帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)電路。

其中，Vref為輸出的基準(zhǔn)電壓；VBE為圖2中Q1的基極-發(fā)射極電壓；R1，R2在電路中的位置如圖2所示。