基于BiCMOS工艺的带隙基准电压源设计
叶鹏1，2，文光俊1,2，蔡竟业1, 王永平2
(1.电子科技大学 通信与信息工程学院，四川 成都 610054)
(2.广州润芯信息技术有限公司，广东 广州 510663 )
摘要：电压基准是模拟集成电路的重要单元模块，本文在0.35um BiCMOS工艺下设计了一个带隙基准电压源。
仿真结果表明，该基准源电路在典型情况下输出电压为1.16302V，在-45℃～105℃范围内，其温度系数为3.6ppm/℃，在在电源电压为3V～3.6V范围内，参考电压从.16295V～1.16308V，变化了130uV，电源电压调整率为0.0186%/V。
关键字：带隙基准电压源；温度系数；电源电压调整率；BiCMOS
中图分类号 TN782 文献标识码 A
A Veference Voltage Circuit Design on BiCMOS
Technology
YE Peng1,2,WEN Guang-jun1,2,CAI Jing-ye1,WANG Yong-ping2
(1 School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science
and Technology of China, Chengdu Sichuan 610054)
(2 Guangzhou Runxin Information Technology Co. LTD, Guangzhou Guangdong 510663)
Abstract：voltage reference is a critical module in analog integrated circuit.this paper design a bandgap voltage reference,the simulation result demonstrate that the output voltage is 1.16302V in typical,the temperature coefficience is 3.6ppm/℃when temperature from -45℃ to 105℃,the reference voltage is from 1.16295V to 1.16308V when power voltage 3V～3.6V,the vary Is 130uV,
Keywords: bandgap voltage source;temperature coefficience;Line Sensitivity;BiCMOS
1引言
设计基准电路的目的就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。
基准源在模拟和混合集成电路中应用非常广泛，比如数据转换电路和稳压电路中。
[1]在通常情况下，理想的基准电路是与温度、工艺参数以及电源电压无关的，但是实际中各种因素的影响不可避免，那么就要尽量减少各种不确定因素的影响。
在设计时除了考虑温度、电源和工艺的不确定性以外，基准电路的其他一些参数也是十分关键的，如输出阻抗、输出噪声、功耗和版图面积。
本文在分析了带隙基准电路原理的基础上，设计了一个低温度系数、低电源电压调整率的基准电压源。
2带隙基准电压源的原理
设计精密基准电压源的主要难点在于如何降低基准电压值的偏差和温度系数。
在不采用修正技术的情况下，[2]这两项指标一般在4%和100ppm/℃左右。
我们可以利用电流镜原理实现与电源无关的偏置，利用PN 结的温度特性实现温度补偿，得到与温度无关的电压。
现在就利用这些简单的电路实现一个基准电压源。
图1 带隙基准PTAT 电流产生原理图 图2 带隙基准电压源原理图 利用与电源无关的偏置电路作为正温度系数电压的偏置电路，就可以得到一个简单的与绝对温度成正比的电流源。
其电路结构如图1所示。
电路中M1~M2和M3~M4均为相同的对管，Q2和Q1的发射区面积比值为n 。
[3]要使两条支路的电流相等，也就是流过M1和M2的电流相等，应该有M1和M2的源端电压相等，即
121/)ln (R n V I I T == （1） 因为VT 与绝对温度成正比，这样，I1和I2就与绝对温度成正比。
M3和M5构成电流镜，I5镜像电流I2，于是I5也具有了同样的特性，我们就得到了与绝对温度成正比的电流(PTAT 电流)。
如果把这个电流加在一个固定的电阻上，就得到了一个与绝对温度成正比的电压。
我们还知道，[4]正向导通的PN 结的电压是与绝对温度成反比的。
因此可以利用具有正、
负温度系数的电路的组合，构成带隙基准电路。
把这个与绝对温度成正比的电压加在一个正向的PN 结上，只要给出适当的系数，就能得到期望中的电路结构。
[5]基于这个想法，得到的电路结构如图3-2所示。
电路中流过M5的电流就是上面提到的与绝对温度成正比的电流(PTAT 电流)，把它加在电阻R2上就得到了与绝对温度成正比的电压，其大小为。
把这个电压加在一个正向导通的PN 结上，得到的输出电压为
n R R V V R I V V T VE BE out ln 1
23253+=+= （2） 把式公式（2）对温度求导，得到其温度系数为：
T V n R R T
V T V T BE out ∂∂+∂∂=∂∂)(ln 123 （3） 多项式（3）的第一项与绝对温度成反比，第二项与绝对温度成正比。
只要确定一个合适的电阻比值，使表达式（3）的值为零，则V out 就是要得到的与温度和电压无关的基准电压。
3本文设计的基准源
本文提出的带隙基准电压源电路如图所示：其工作原理在第二部分已经介绍过了，区别是:一、电流镜全部采用自偏置共源共栅电流镜，优点是能够提高电流的精确度，由此可以改善电路性能；二、BJT使用的是NPN型的管子。
其原理图如图3所示：其中左边部分为启动电路，中间部分产生PTAT电流，采用的电流镜为自偏置共源共栅电流镜，右边电路将PTAT电流镜像到一电阻上得到PTAT电压，使之与VBE的温度系数抵消，以得到不随温度变化的基准电压。
图3 本文所提出的低温度系数的带隙基准电压源原理图
4仿真结果
利用CADENCE环境下的Spectre仿真工具对电路进行仿真，得到输出参考电压随温度和电源电压变化的曲线，如图4和5所示：由此可以得到温度系数为3.6ppm/℃：电源电压调整率为0.0186%/V。
图4 基准电压随温度的变化曲线图5基准电压随电源电压的变化曲线
5总结
本文在分析了带隙基准电压源基本原理的基础上，提出了一种高精度的基准电压源结构，仿真结果表明，该结构的基准电压温度系数为 3.6ppm/℃，电源电压调整率为0.0186%/V ，表现出良好的温度特性。
参考文献
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[2] . Pease Robert . The design of bandgap reference circuit : Trials andTribulations[ C] . IEEE 1990 Bipolar Circuits and Technology Meeting ,1990 :214 - 218.
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[4]. 刘韬，徐志伟，程君侠.一种高电源抑制比CMOS能隙基准电压源.微电子学,1999,V ol.29:pp 128-131
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[6]. 朱樟眀，杨银堂，尹韬.一种新型低压高精度CMOS电流源.西安电子科技大学学报（自然科学
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本文作者创新观点：采用共源共栅结构，将温度系数降到尽可能低，表现出良好特性。
作者简介：叶鹏（1984-），男，电子科技大学硕士研究生，主要研究方向为数模混合集成电路设计.
Biography:Yepeng(1984-),male,MA of UESTC,major in analog and digital mixed integrated circuit design。