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一种高精度带隙基准电压源电路设计松滋

文章来源:贾氏机械网  |  2020-01-07

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对于mp2与mp3和mn1与mn2,由于r3的存在,根据电路图可写出vgs1=vgs2+id2r3,假设mn2的宽长比是mn1的k倍,则有:

从式(7)可以看出,iout与电源电压无关。因此mp2、mp3、hsp3、hsp4、hsn1、hsn2、mn1、mn2、r3共同构成了与电源无关偏置电流的产生电路。

双极型晶体管的基极-发射极电压具有负,对于一个双极型晶体管可以写出ic=isexp(vbe/vt),其中vt=kt/q,设b为固定的比例系数,eg≈1.12 ev为硅的带隙能量,则有

式(10)给出了在一定温度t下基极-发射极电压的,从中可以看出,它与vbe本身的大小有关。当vbe≈750mv,t=300 k时,

,可以看出vbe具有负的。

当两个双极型晶体管工作在不相等的电流密度下时,假设基极-发射极电压分别为vbe1与vbe2,则二者的差值△vbe=vbe1-vbe2与绝对温度成正比。q1与q2为采用bcd工艺的pnp三极管,对于q1、q2有:

3 电路仿真及结果分析

基于0.5μm高压bi工艺,1.2 v基准电压的仿真结果如3所示。可以看出.通过给vdd端加上升的电压,电压从0 v上升到18 v,输出端的电压vref随vdd端电压上升而逐渐升高,当vdd端电压上升到15 v左右时,电路进入工作状态,vref端输出基准电压,此时,随着vdd的继续增加,vref不再变化,最后vref端电压保持在1.215 v。

在做温度系数的仿真时,由于受到启动电路的影响,无法得到正确的温度系数曲线,在仿真时,通过将启动电路断路,使得基准电压随温度变化的曲线得以正常仿真。将电路在-40~85℃范围内进行仿真分析,得到带隙基准电压源的温度系数仿真结果如图4所示,可以看出,室温下带隙基准电压源的基准电压为1.215 0 v,85℃时带隙基准电压为1.216 05 v,可得该带隙基准电路的温度系数为7 ppm/℃。

4 结论

通过对传统的带隙电压基准源进行改进,增加启动电路,采用结构的ptat电流产生电路,设计了一种高精度、与电源和温度无关的具有稳定电压输出特性的带隙电压源。该设计电路在0.5μm高压bi工艺下实现,结果表明在-40~85℃范围内该带隙基准电路的温度系数为7 ppm/℃,室温下的带隙基准电压为1.215 v。

摘要:针对传统带隙电压基准源电路电源电压较高,基准电压输出范围有限等问题,通过增加启动电路,并采用结构的ptat电流产生电路,设计了一种高精度、低温漂、与电源无关的具有稳定电压输出特性的带隙电压源。基于0.5μm高压bi工艺对电路进行了仿真,结果表明,在-40%℃~85℃范围内,该带隙基准电路的为7ppm/℃,室温下的带隙基准电压为1.215 v。

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基准电压源广泛应用于a/d、d/a转换器、开关电源以及各种通信电路,它的电源噪声抑制能力与稳定的温度特性是影响a/d,d/a速度与精度的重要因素,甚至影响整个系统的性能,良好的基准电压源设计才能满足需要。带隙电压基准(bgr)技术日趋成熟,具有较高精度,较低功耗的bgr在电路中被广泛应用。

利用双极型晶体管的基区-发射区电压差△vbe在不同电流密度偏置下具有正,而其本身的基区-发射区电压vbe具有负,这两个电压线性叠加,得到较合适的近似零温度系数的基准电压源。该电路增加了启动电路和ptat电流产生电路,其中ptat电流产生电路是该基准源的核心,通过对电路的分析与研究,给出了基于0.5μm高压bi工艺下的的设计和仿真结果。

1 传统的带隙电压基准源

传统的带隙电压基准源原理图与电路结构如图1所示。

图1(a)中,以vbe(on)和vt为基准的偏置源会有相反的tcf,输出电流可能以vbe(on)和vt的某种复合电压作为基准源,如果复合方式得当,可使输出温度系数为零,该电路输出电压为:

vout=vbe(on)+mvt (1)

通过确定vbe(on)的温度系数,使输出电压与温度无关,即从而确定要求的m值。

对于图1(b),已知两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下,它们的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。在图1中,如果mp1,mp2是同样的晶体管(is1=is2),且偏置的集电极电流分别为ni0和i0,忽略它们的基极电流,那么

△vbe=vbe1-vbe2=vtlnio/is1-vtlnio/is2=vtlnn (3)

双极晶体管的偏置电流实际上是与绝对温度成正比(ptat)的,假设mp1与mp2为相同的管子,要使id1=id2,电路必须保证vx=vy。所以,id1=id2=(vtlnn)/r,结果,使id3产生同样的特性,并将ptat电压id3r2加到基极-发射极电压上,因此输出电压为

只要保证(4)式中两项和是零,vbe3的值以及q3尺寸的选择都有几分任意。实际上,由于晶体管之间的不匹配,以及r1的温度系数,id5的变化会偏离理想的等式,给输出电压vref带来误差。传统电路还存在电源电压较高,基准电压输出范围有限等问题,因此需要不断的改进与提高。

2电路设计

基于0.5μm高压bicmos工艺下的带隙基准电压源电路如图2所示,电路由启动电路和带隙基准电压产生电路两大部分组成。

在与电源无关的偏置电路中,重要的问题是“简并”偏置点的存在,使电路有两种可能的状态:一种是工作状态,另一种是电路中没有电流流过,这是所不希望的状态。增加启动电路,使该电路在电源上电时,能驱使电路摆脱简并偏置点,正常启动并稳定工作。图2中左半部分即为该带隙基准电压源的启动电路部分,主要由r1、r2、mp1、hap1和hap2构成,其中hap1与hap2为高压非对称pmos管,hap1与hap2构成电流镜,由于两者尺寸相同,hap2的漏极电流与hap1的漏极电流相等。当电路未进入工作状态时,hap1与hap2导通处于开启状态,通过增加vdd端电压,使得r1上压降逐渐增大,因此通过r1的电流增加;由于hap1与hap2构成的电流镜的作用,通过r2的电流与r1上的电流相同,所以r2上电流也随着vdd端电压上升而升高,r2两端的电压也随之升高;当vdd增加到一定程度后,r1远离地端的电势将逐渐升高到该工艺下高压非对称pmos管的截止电压,并保持稳定,此时r1上的电流也趋于稳定,r2上电流也将趋于稳定,在r2远离hap2端将得到一个较稳定的开启电压,经计算并仿真测得这个电压为5.92 v。

对于电压产生电路,ptat电流产生电路是该电路的核心部分,应用了bcd工艺下的pnp管。主要由mp2、mp3、hsp3、hsp4、hsn1、hsn2、mn1、mn2、r3、q1、q2构成。其中mp2、mp3、hsp3、hsp4、hsn1、hsn2、mn1、mn2、r3构成与电源无关的偏置,q1、q2产生与温度无关的基准。

在偏置电流电路中,iref通过某种方式由iout得到,如果iout最终与vdd无关,那么iref则不受vdd影响,即与电源无关。当忽略mos管沟道长度调制效应时,有iout=kiref,因为每个以二极管方式连接的器件都是由电流源驱动的,所以iref近似的与电源无关。图2中mp3、hsp4 hsn2、mn2的宽长比分别是mp2、hsp3、hsn1、mn1的二倍,其中mp2、mp3、hsp3、hsp4与hsn1、hsn2、mn1、mn2分别构成电流镜,生成与电源无关的电流偏置,影响电流精度的关键因素就是漏-源电压,漏-源电压的变化会严重影响漏极电流的匹配。对于普通电流镜电路,因它们的漏一源电压不同,从而失配与沟道调制效应会造成组成电流镜的两个晶体管的栅-源电压有差异,从而导致输出电流发生很大变化。采用电流源结构的电路,优点在于它会有一个很大的输出电阻,这在镜像电流源中非常重要,能够提高输出基准电压的稳定性,此外该结构能够减小沟道调制效应的影响,能够改善电源抑制和初始精度等电路的重要性能。图2中经过mp4,与hsp5最后从hsn3中流出的电流和vt有关,所以电阻r4的压降也与vt有关,在做仿真的过程中,通过对r4的阻值优化,最后选择合适的电阻值使vout输出带隙电压。

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