一种带隙基准电压源的设计与仿真

2011-10-11 08:28:27来源: 互联网 关键字:隙基准  电压源  仿真
基准电源与电源本身及其工艺关系很小,而温度特性稳定,被广泛使用在模拟电路之中。基准电源的温度特性和噪声特性是决定电路精度和性能的重要因素。基准电源的输出电压和(或)电流几乎不受温度和电源电压的影响,是模拟集成电路中不可或缺的关键模块。基准电源根据输出的类型可分为基准电压源和基准电流源。基准电压源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙基准电压源3种,基准电流源主要是简单基准电流源、阀值电压相关电流源和带隙基准电流源。准电压源和基准电流源两者并不孤立,电压基准可以转换为电流基准,电流基准也可以转换为电压基准。

  1 带隙基准电压源的基本原理

  带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体管基区一发射区电压VBE具有的负温度系数,而不同电流密度偏置下的两个基区一发射区的电压差△VBE具有正的温度系数的特性,将这两个电压线性叠加从而获得低温度系数的基准电压源。

  利用VBE的负温度系数和△VBE的正温度系数,就可设计出零温度系数的基准电压源。即VBEF=α1VBE+α2(VTln n)。在温室下

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,令α1=1,αln n≈17.2时,可得到零温度系数的基准为

 

  

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  根据上述理论分析可得到如图1所示的带隙基准电路架构图,其中在鸭管的漏极可得到与绝对温度成正比(PTAT Proportional to Abso-lute Temperature)的电流,先进行理论推导。首先输出基准电压为

  

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  M1、M2和M3采用相同的偏置电压,可得到相同的导通电流ID,放大器保证M1和M2的漏极电压相等,得

  

 

  根据上述分析可知,适当调节晶体管的发射极面积和电阻大小,即可得到温度系数为零的输出基准电压。本文设计的带隙基准电压源正是基于此电路构架图而得到的。

  

2 带隙基准电压源电路设计

  2.1 带隙基准核心电路

  带隙基准核心电路采用一阶补偿技术,温度系数一般能达到(10~20)×10-6℃。如图2所示,为本设计的带隙基准电压源的核心电路,图中用PMOS电流源作为偏置电流,由于MOS管的沟道长度调制效应会导致显著的电源电压依赖性。为解决这一问题,可利用共源共栅结构良好的屏蔽特性,电路中的电流源采用共源共栅结构。同时为减小运放失调电压的影响,可采用两个三极管级联的结构。运算放大器用来保证N1和N2两点的电位相等。根据理论分析可知,适当调整晶体管Q1~Q5的发射极面积和电阻R1~R5的电阻值,可产生与温度无关的基准电压VREF。

  

 

  

 

  

2.2 运算放大器

  图2中运算放大器的实际电路如图3所示,该运放电路是由M11~M17组成的二级运算放大器,其中M11~M15组成的差分放大器是一级放大器,M16和M17组成共源极放大器作为放大器的第二级。差分放大器的输出接在M17的栅极。M11为差分放大器提供电流,M12和M13是一对PMOS差分输入,M14和M15组成的电流镜作为有源负载。电容C1是补偿电容,一般取5pF。

  

 

  

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  2.3 偏置电路设计

  如图4所示,偏置电路为二级放大器的M11和M16两管提供偏置电压Vb。

  

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  3 带隙基准电压源的仿真结果

  由图5可知,当温度在-25~80℃变化时,输出基准电压在1.249 5~1.250 7 V之间变化,可得其温度系数为

  

o.jpg

 

  满足设计要求。

  

p.jpg
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  由图6可知,当电源电压在3~5 V之间变化时,输出基准电压在1.251~1.208 V之间变化,变化范围在43 mV以内,满足设计要求。

  4 结束语

  设计了一款带隙基准电压源,在LTspice下画出原理图,产生网表后,在Hspice下仿真,结果表明,温度系数为9.14×10-16℃,电源电压在3~5 V之间变化时,基准电压在43 mV以内变化,满足设计要求。

关键字:隙基准  电压源  仿真

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1011/article_12212.html
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