1 帶隙基準技術基本原理

基準電壓源已成為大規模、超大規模集成電路和幾乎所有數字模擬系統中不可缺少的基本電路模塊。基準電壓源可廣泛應用于高精度比較器、A/D和D/A轉換器、隨機動態存儲器、閃存以及系統集成芯片中。帶隙基準電壓源受電源電壓變化的影響很小，它具備了高穩定度、低溫漂、低噪聲的主要優點。

其中，VT具有正溫度系數，VBE1具有負溫度系數，則輸出VRef的溫度系數可以調整到接近零。

2 帶隙基準源設計電路

為了得到較低的輸出電壓，在兩個晶體管支路上分別并聯一個電阻，根據此原理，設計電路圖[3]如圖2所示。

三個PMOS管為同樣寬長的MOS管，均處于飽和工作狀態，根據鏡像原理有：

由式(7)可以看出，調節R2/R1與R2/R0的值，就可以得到零溫度系數的電壓輸出值。雖然電阻本身也具有溫度系數，但在此電路中，輸出電壓只與電阻之間的比值有關，所以電阻的溫度系數對輸出的影響很小。

3 運算放大器的設計

以上推理僅適用于運算放大器工作在理想狀態的情況，圖2電路的最主要部分就是運算放大器，運算效果的優劣決定著此基準電壓源的效果。根據電路的需求，設計的運放有較高的放大倍數、較低的功耗、較低的噪聲，所以選用普通的兩級運放即可，電路圖如圖3所示。

圖3中PM0和PM1作為鏡像電流源，將偏置電流4μA鏡像給放大器使用，PM3與PM4作為運放的輸入端，比使用NMOS差分對得到更大的輸入范圍，兩級的級聯運放需要加入相位補償電路（圖3電路中串聯的電阻R和電容C支路[4]），仿真后的幅頻響應如圖4所示。

從圖4可以看到運算放大器的幅頻響應，相位裕度為46°，低頻段增益達105db。

4 整體電路

為了使電路能夠正常的工作，加入啟動電路，整體電路如圖5所示。

5 仿真結果

依照圖5，在Cadence中使用SMIC 0.18 μm工藝庫搭建電路，進行仿真。電路的啟動時間及輸出電壓如圖6所示。

可以看到，輸出的基準電壓穩定后在600.19mV，啟動時，有微小的變化，并且在極短的時間內穩定下來。

仿真基準電壓源的溫度系數和在電源電壓變化時的穩定性如圖7所示。

在圖7中，可以看到溫度從0 ℃～100 ℃變化時，基準電壓從600.19mV增大至600.44mV，后逐漸變小至600.14mV，溫度系數為5ppm/℃。

仿真圖5中電源電壓變化對輸出基準電壓的影響，得到結果如圖8所示。

從圖8中可以看到，電源電壓從0V增大到5V，在電源電壓為1.1V時，輸出的基準電壓已經達到600mV，而在當電源電壓繼續增大時，輸出的基準電壓基本保持不變。

本文使用SMIC0.18μm工藝設計實現了一個0.6V的帶隙基準電壓源，并且功耗較小，適用于各種便攜式電路設計中基準源的需要，仿真結果證明了該電路良好的性能。

參考文獻

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作者：陳雙文 劉章發   來源：電子技術應用2011年第3期