一种无电阻结构带隙基准源电路

2019-10-29赵子龙侯文彦

山西电子技术 2019年5期

程亮，赵子龙，侯文彦

(1.山西经济管理干部学院，山西太原 030024；2.福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350116； 3. 中国铁路太原局集团有限公司太原南站，山西太原 030031)

0 引言

带隙基准是不受环境温度、电源电压以及工艺变化影响，而能输出稳定电压的一种电路，现已广泛应用于模数转换器、锁相环等电路中[1]。参考文献[1]，[2],[3]中所介绍的基准电路结构都包含了电阻元件，在低压低功耗应用中为实现较低的静态电流要求使用大阻值电阻，这一方法将引起芯片面积的增加。为解决这一问题，提出了一种不使用电阻的带隙基准源电路结构，既减少了芯片面积，同时也避免了电阻制作工艺变化引起的误差。

利用2个MOS管的栅源电压差ΔVGS产生随绝对温度线性变化的正温度系数电压，抵消二极管电压VBE的变化，实现基准电压的一阶曲率补偿。同时在电路中设计的负反馈结构可维持基准电压的稳定，使电路的电源抑制比(PSR)性能得到大幅改善。

1 电路原理

1.1 传统带隙基准电路

根据文献[1]，传统的带隙基准源由运算放大器、三极管、MOS管和电阻组成，如图1所示。利用运算放大器的高增益特性使运放的正负输入端电压近似相等。MOS管MP1和MP2栅极电压由运放控制，流过两MOS管电流相同。电阻R2的电流为：

(1)

则基准电压公式为：

(2)

在低功耗应用中，该结构中的电阻将占用较大的芯片面积。同时由于半导体制作工艺参数不稳定的原因，会导致电阻大小发生变化无法达到设计的精度，使得基准电压随温度的变化而产生大的误差。通常可以使用电阻trimming技术对电阻进行修调，但这种办法使电路变得非常复杂。

图1 传统带隙基准电路

1.2 PTAT电流

图2电路结构可产生与温度成正比电流即PTAT电流，电路由PMOS管M3、M4，NMOS管M1、M2、MR以及PNP三极管Q1、Q2组成。M3、M2设计成二极管连接方式为电流源M4和M1提供偏置电压。NMOS管MR工作于深线性区，在电路中做电阻使用。Q1和Q2管的发射极面积比为N。

图2中M1与M2两支路电流相同，两MOS管宽长比相同，由MOS管饱和区漏电流公式Id=0.5μ·Cox·(W/L)(VGS-Vth)2可知，M1和M2管栅源电压相同，即两管的源级电位相同。所以三极管Q1、Q2基极发射极电压关系为：

VBE_Q1+VDS_MR=VBE_Q2.

(3)

根据文献[1]，晶体管集电极电流IC=ISexp(VBE/VT),由上述公式得：

VDS_MR=VTlnN.

(4)

MOS管MR工作于深线性区，根据线性区漏电流公式：Id=0.5μ·Cox·(W/L)[2(VGS-Vth)VDS-VDS2]计算得MOS管MR漏源电阻为：

(5)

MOS管M1和MR存在如下电压关系：

VGS_MR=VGS_M1+VDS_MR.

(6)

由上述公式(4)、(5)、(6)得到流过M1的电流为：

(7)

Ip=α·T2-n.

(8)

(9)

α是与温度无关的常数，其中，n是与工艺相关的常数[3]，典型值为1.5；k为玻尔兹曼常数；N是Q1、Q2发射极面积比。

图2中设计的电流Ip与绝对温度成正比，与电阻无关由MOS管M1、MR的宽长比决定。

图2 无电阻PTAT电流电路

1.3 新型带隙基准电路

提出的新型带隙基准电压源由启动电路、PTAT电流电路和基准核心电路三部分组成，可实现温度的一阶补偿。

启动电路由M6和M7组成的反相器以及NMOS管M5组成。若PTAT电流电路无法上电，则M3管的栅极电压为0，PMOS管M6导通使得电源电压加载到M5管的栅极进一步使得M5管导通，则M1管栅极加载高电压使电路左右两支路全部导通完成启动。PTAT电路正常工作后M3栅极电压为高电压，使M7导通M5截止，实现启动电路与PTAT电路的隔离。

PTAT电流电路生成的Ip电流通过M3管把电流镜像到基准核心电路为其提供偏置。M10管和M14管中的漏电流为Ip，M17管中的漏电流为β2Ip，M13管中的漏电流为β1Ip。M15管的栅极连接三极管Q2的发射极，M15、M16的源级电位相同，所以输出的基准电压为：

Vref=VBE_Q2+VGS_M15-VGS_M16=
VBE_Q2+ΔVGS.

(10)

当M15、M16管的阈值电压相等时，计算得：

(11)