基本带隙基准电压源设计
一、实验要求
1、设计出基本的带隙基准
2、设计出低压带隙基准
二、实验目的
1、掌握PSPICE的仿真
2、熟悉带隙基准电压设计的原理
三、实验原理
模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。
这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。
产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压或电流。
要实现基准电压源所需解决的主要问题是如何提高其温度抑制与电源抑制，即如何实现与温度有确定关系且与电源基本无关的结构。
由于在现实中半导体几乎没有与温度无关的参数，因此只有找到一些具有正温度系数和负温度系数的参数，通过合适的组合，可以得到与温度无关的量，且这些参数与电源无关。
负温度系数电压：双极性晶体管的基极-发射极电压，或者更一般的说，p-n 结二极管的正向电压，具有负的温度系数。
正温度系数电压：如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比，且正温度系数与温度或集电极电流的特性无关。
利用上面得到的正、负温度系数的电压，通过合适的组合，我们就可以设计出一个零温度系数的基准。
由于这个基准电压与硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。
1、基本带隙基准
1.1基本的原理图如图1所示：
图1 基本带隙基准原理图
其中，MOS 管M1-M3的宽长比相同，Q1由n 个与Q2相同的晶体管并联而成。
运放起嵌位作用，使得X 点和Y 点稳定在近似相等的电压。
1.2带隙电压公式推导：
对于一个双极性晶体管，我们可以写出其集电极电流公式为:BE
T
V V C S I I e =，其中
T kT V q
=
，S I 为饱和电流，则可以推导出：
ln
C EB T S
I V V I =。
假设运算放大器的增益足够高，在忽略电路失调的情况下有：
21
122
EB EB R R V V I I R -==
2
ln ln C C T T S
S
I I V V I nI R -=
2
ln T V n R =
则带隙基准电压为：
（1）
（2）
131132
ln ref EB R EB T R V V I R V V n R =+=+
其中，E B V 具有负温度系数，T V 具有正温度系数，这样，通过调节n 和12
R R ，就
可以使ref V 得到一个零温度系数的值。
一般在室温下，有：
/ 1.5//0.087/EB T V T m V K V T m V K
∂∂≈-∂∂≈
为了使
112
2
/ln / 1.50.087
ln 0ref EB T R R V V T n V T n R R ∂=∂∂+
∂∂≈-+=
则
12
ln 17.2R n R =，
317.2ref BE T V V V =+
1.2、低压带隙基准
低压带隙基准原理图如图2所示：
图2 低压带隙基准原理图
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
其中，MOS 管M1-M3的宽长比相同，Q1由n 个与Q2相同的晶体管并联而成。
34R R =。
21
212
3
(
)EB EB EB ref V V V V R R R -=+
3123
2
(ln )EB T R R V V n R R =
+
同基本带隙基准电压相同，若要得到一个零温度系数的基准电压，则：
32
ln 17.2R n R =
四、实验步骤 1、基本带隙基准 1.1实验原理图
基本带隙基准电路图如图3
所示：
图3 实验原理图
根据公式（7），可以得到该电路的输出电压为：
152
ln REF BE T R V V V n R =+
1.25V =
通过给定的偏置电流值设置好各个MOS 管和晶体管的参数，然后对整个电路进行直流扫描分析（DC Sweep ），以温度为变量，得到一条仿真曲线，如图3
（8）
（9）
所示：
TEMP
-60
-50-40-30-20-100102030405060708090100110120
130
V(VREF)
1.1600V
1.1604V
1.1608V
1.1612V
1.1616V
1.1620V
1.1624V
1.1628V
(-55.000,1.1604)
(31.000,1.1627)
图3 输出电压-温度仿真曲线图
通过曲线图，我们可以看到，在-55-125℃的温度范围内，输出电压稳定在
1.1604-1.1627V 之间，初始精度在7%之内。
温度漂移系数为：
1.1627 1.160410.2/1.25(12555)
ppm -=⨯+℃
1.2运放的环路增益及相位余度
在运放的输出端加一个正弦信号源激励和电感，仿真电路图如图4所示。
图4 运放的环路增益及相位余度仿真电路图
然后最整个电路进行交流分析（AC Sweep ）.仿真波形图如图5所示：
Frequency
1.0Hz 3.0Hz 10Hz
30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz
300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHz 300MHz 1.0GHz
VDDB(MP6)VP(MN1:d)
-200
-100
100
200
300
400
(441.925K,354.382)
(441.925K,122.911m)
图5 仿真波形图
此时的相位余度为360°-354.4°=5..6°。
为了提高系统的稳定性，同时得
到比较快的时间响应，相位余度最好能达到60°。
因此应对运放进行频率补偿。
补偿电路如图6所示：
图6 补偿电路图
在运放的输出端接一个电容到地，实现运放的频率补偿。
通过进行交流分析（AC Sweep ），调整电容值，得到仿真波形图如图7所示：
Frequency
1.0Hz 3.0Hz 10Hz
30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz
1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHz 300MHz 1.0GHz
VDDB(MP6)VP(MN1:d)
-200
-100
100
200
300
(391.763K,308.626)
(391.763K,92.122m)
图7 经过补偿后的仿真波形图
此时电容值为0.2pF ，相位余度为360°-308.6°=51.4°。
2、低压带隙基准
仿真电路图如图8所示：
图8 低压带隙基准仿真电路图
根据公式（8），可以得到该电路的输出电压为：
通过给定的偏置电流值设置好各个MOS 管和晶体管的参数，然后对整个电路进行直流扫描分析（DC Sweep ），以温度为变量，得到一条仿真曲线，如图9所示：
TEMP
-60
-50-40-30-20-100102030405060708090100110120130
V(VREF)
929.6mV
929.8mV
930.0mV
930.2mV
930.4mV
930.6mV
(125.000,929.760m)
(33.000,930.689m)
图9 低压带隙基准仿真波形图
通过曲线图，我们可以看到，在-55-125℃的温度范围内，输出电压稳定在
929.78-930.69mV 之间，初始精度在7%之内。
温度漂移系数为：0.930690.92978 5.06/1(12555)
ppm -=⨯+℃
五、心得体会。