趙嘉斌

【摘 要】本文采用HLMC 55LP工藝，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸入范圍1.6V-3.3V，輸出范圍為1.2V±2%的BGR（帶隙基準(zhǔn)源）。本文首先介紹BGR的工作原理，同時(shí)著重介紹本設(shè)計(jì)中所使用的新的設(shè)計(jì)方法及其優(yōu)勢。本次設(shè)計(jì)經(jīng)過前后仿驗(yàn)證，得到高的輸出精度。

【關(guān)鍵詞】BGR（帶隙基準(zhǔn)源）；環(huán)路補(bǔ)償；自偏置；Trimming（修調(diào)）

1 介紹

模擬電路中廣泛地包含電壓基準(zhǔn)（reference voltage）和電流基準(zhǔn)（current reference）。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路中，基準(zhǔn)電壓的精度直接決定著這些電路的性能。這種基準(zhǔn)應(yīng)該與電源和工藝參數(shù)的關(guān)系很小，但是與溫度的關(guān)系是確定的。在大多數(shù)應(yīng)用中，所要求的溫度關(guān)系通常分為與絕對溫度成正比（PTAT）和與溫度無關(guān)2種。而目前主流的基準(zhǔn)源都是采用后者，即與溫度無關(guān)。本設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)一個(gè)不受溫度影響的輸出精度高的基準(zhǔn)源。

2 基本原理

由于大多數(shù)工藝參數(shù)和溫度有關(guān)，因此，和溫度無關(guān)，即和工藝無關(guān)。利用PN結(jié)二極管的基極-發(fā)射結(jié)正向電壓，具有負(fù)溫度系數(shù)；而不同電流密度下的二個(gè)PN結(jié)二極管的基極-發(fā)射極正向電壓之差，具有正溫度系數(shù)；將兩個(gè)具有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的量加權(quán)相加，則得到量顯示零溫度系數(shù)。輸出電壓公式為：

VREF=VBE+KVT（1）

3 負(fù)溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生

4 正溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生

兩個(gè)三極管工作在不同的電流密度下，它們的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對溫度成正比。如果兩個(gè)同樣的三極管（IS1=IS2），偏置的集電極電流分別為nI0和I0，并忽略他們的基極電流，那么：

5 一階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源

將正、負(fù)溫度系數(shù)的電壓加權(quán)相加，就可以得到一個(gè)近似與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。常見的一階可調(diào)基準(zhǔn)源電路如圖1所示。

式中：N為Q2與Q1的發(fā)射結(jié)面積之比，式（4）中第一項(xiàng)具有負(fù)的溫度系數(shù)，第二項(xiàng)具有正、負(fù)溫度系數(shù)，合理設(shè)計(jì)R0與R1的比值和N的值，就可以得到在某一溫度下的零溫度系數(shù)的一階基準(zhǔn)電壓。式（5）中方括號內(nèi)是約為1.25 V的一階溫度無關(guān)基準(zhǔn)電壓，通過調(diào)節(jié)R2/R0的比值，可以得到不同大小的基準(zhǔn)電壓。

6 電路結(jié)構(gòu)及原理分析

本設(shè)計(jì)中使用了新的電路結(jié)構(gòu)和新的設(shè)計(jì)方法，比如使用了新的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，自偏置電路結(jié)構(gòu)和源極負(fù)反饋補(bǔ)償?shù)姆椒?。圖2為本文設(shè)計(jì)的BGR基本電路圖，包含A啟動(dòng)電路、B運(yùn)放電路及反饋電路、C帶隙核心電路。

其中圖2 中由PM8，PM9，NM4組成了本設(shè)計(jì)的啟動(dòng)電路部分；由PM1，PM2，PM5，PM6，NM1，NM2，NM3組成了二級運(yùn)放電路部分；由PM3，PM7，PM4，Q1，Q2，R1，R2，R3，R4組成帶隙核心電路。同時(shí)通過PM1，PM2，PM3，PM7組成的鏡像，運(yùn)放的偏置電流由帶隙基準(zhǔn)主體電路提供，將之稱為自偏置帶隙基準(zhǔn)電路。

7 啟動(dòng)電路

在電源上電的過程中，NM4逐漸開啟，使PM9的柵電壓為低電壓。PM9開啟，將VN拉至電源電壓。NM3開啟，產(chǎn)生偏置電流，使得運(yùn)放和帶隙基準(zhǔn)主體開始工作。這是以自偏置的帶隙基準(zhǔn)為例。

整個(gè)帶隙基準(zhǔn)電路正常工作之后，PM8鏡像PM2的電流，該電流在NM4上產(chǎn)生電壓，當(dāng)該電壓大于電源電壓減去PM9的閾值電壓時(shí)，PM9關(guān)閉，啟動(dòng)電路不再對主體電路產(chǎn)生影響。

當(dāng)帶隙基準(zhǔn)電路因?yàn)槟撤N情況進(jìn)入小電流工作的簡并狀態(tài)時(shí)，PM8鏡像到的電流將減小，此時(shí)NM4上的電壓下降，PM9開啟，VN點(diǎn)電壓上升，NM3開啟，產(chǎn)生偏置電流使得運(yùn)放和帶隙基準(zhǔn)主體開始工作。

從本設(shè)計(jì)中可以看到，當(dāng)運(yùn)放采用帶隙基準(zhǔn)主體電路提供偏置電流（自偏置）的時(shí)候，本項(xiàng)目的啟動(dòng)電路可以同時(shí)使得運(yùn)放和帶隙基準(zhǔn)主體開始工作，可加快電路的啟動(dòng)過程。啟動(dòng)電路是否工作是通過鏡像工作電流的方式，相比常用的啟動(dòng)電路方式（如檢測三級管上的電壓，通常是與MOS管閾值電壓作比較）更加簡單，更加可靠。

8 運(yùn)放

本設(shè)計(jì)中使用的運(yùn)放是簡單的二級運(yùn)放結(jié)構(gòu)，但是同時(shí)使用了自偏置的的結(jié)構(gòu)，如圖2中B部分的電路。

當(dāng)啟動(dòng)電路開啟時(shí)，通過VN點(diǎn)使運(yùn)放NM3 的柵極電壓增大，使NM3開通，然后運(yùn)放通過PM2形成的自偏置環(huán)路開始自啟工作。這樣設(shè)計(jì)省去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的偏置電流產(chǎn)生電路，很大程度上減小了電路功耗。

9 帶隙核心電路

當(dāng)運(yùn)放穩(wěn)定后，通過反饋使其輸入電壓相等，使得VB1=VB2=VBE，此時(shí)PM3、PM4、PM7產(chǎn)生鏡像比例電流，流過R1的電流是PTAT電流，它加到了一個(gè)VBE/R3 的電流上，此時(shí)通過電流鏡像，使得PM3 得到了最終的輸出電流，電阻R4決定了輸出電壓VBGH。

而在本設(shè)計(jì)中加入了新的思想，消除mismatch帶來的影響，如圖3本設(shè)計(jì)中具有源極負(fù)反饋補(bǔ)償方法的帶隙基準(zhǔn)核心電路。

此電路由PM2、PM3等2個(gè)MOS管，和R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8等8個(gè)電阻，以及兩個(gè)pnp型的BJT：Q1、Q2和一個(gè)運(yùn)放AMP組成。其中PM2、PM3組成的電流鏡像電路；R7、R8組成源極反饋電路，R5，R6組成電壓補(bǔ)償電路。

在BGR的設(shè)計(jì)中，很多單元 對其功能有一定的影響，其中電流鏡的管的匹配影響對電路功能影響很大。

在圖3的電路中我們添的R5 和R6 兩個(gè)電阻是為了降低Mos管vds的影響，因?yàn)?，如圖PM2和PM3組成的電流鏡單元，這兩個(gè)管子的匹配對電路有很大的影響。當(dāng)沒有R6和R5兩個(gè)電阻，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)PM2和PM3的VDS相差很大，因?yàn)樗鼈兊脑礃O基本上是接到VDD，而PM2漏極電壓在600mV左右，而PM3的漏極電壓穩(wěn)定在1.2V左右，所以兩個(gè)管子的VDS相差很大，會(huì)造成很高的匹配影響，為了降低其影響，我們添加了R6和R5兩個(gè)電阻，來保證PM2和PM3的VDS接近，消弱VDS帶來的影響。

為了進(jìn)一步降低VDS和減小電流鏡的匹配誤差，我們添加了R8和R9，這樣以R8和R9分別對兩路電流鏡形成了源極負(fù)反饋，當(dāng)加入兩個(gè)電阻時(shí) ，隨著PM2基極電壓增加，其電流ID也增加，那么電阻的壓降同時(shí)增加，那么其VDS也相對減小。這樣就減小了電流鏡電流偏差對電路的影響。

同時(shí)，與傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源對比，我們是以PM2、PM3形成電流鏡像，而傳統(tǒng)的本身兩個(gè)BJT各有一路電流鏡像，我們的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了電流匹配的誤差。

10 仿真驗(yàn)證

驗(yàn)證整體的電路最終輸出是否滿設(shè)計(jì)要求，同時(shí)觀察電路最低工作電壓及不同條件下的功耗大小，確定BGR的精度。

由圖4可知，當(dāng)溫度在-40～125℃變化時(shí)，輸出基準(zhǔn)電壓在1.2～1.204 V之間變化，可得其溫度系數(shù)為：

通過DC仿真得到，當(dāng)電源電壓在1.6V-3.3V，在所有工藝條件影響下包含：MOS，電阻，電容，BJT。輸出基準(zhǔn)電壓在1.19V～1.22V之間變化，常溫下為1.2V，變化范圍僅為30mV，精度為±2%之內(nèi)，達(dá)到了很高的精度。同時(shí)功耗僅為20uA，比同類IP功耗大大減小。

11 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)高精度、低功耗，并且具有自偏置功能的帶隙基準(zhǔn)源電路，能夠輸出穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，主要用于MCU，SOC等的reference供電，具有高可靠性。同時(shí)提出的自偏置結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的啟動(dòng)電路結(jié)構(gòu)和源極負(fù)反饋補(bǔ)償技術(shù)不僅對于BGR具有指導(dǎo)意義，還對于其他類型IP設(shè)計(jì)提供了新的想法，也具有重要意義。

[責(zé)任編輯：王偉平]