一种低温度系数的高精度带隙基准源设计*

曹 胜，岳成平，高红霞

(太原学院,山西 太原 030012)

0 引言

带隙基准电压源电路是LDO电源管理芯片的一个核心电路,其在DC-DC,A/D,D/A等集成电路中都有着广泛的应用。目前,国内大部分IC市场都被国外知名半导体厂商占据,如果能够研发出性能足够优越的电源管理电路,意义重大。模拟电路包括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,但是和温度的关系是确定的,会受到温度的影响。例如在差分电路中就需要一个准确的基准电压,因此基准电压电路会影响到电路的电压增益和噪声,同时在A/D转换器和D/A转换器中也需要这样的系统来精准确定其输入和输出的全程范围[1]。所以产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关的,具有确定温度特性的直流电压和电流。

1 电路设计模块

第一部分是最简单的电源部分,我们的电源使用的是3 V的直流供电。

第二部分是零温度系数电路设计。

3) 启动模块。启动电路的设计主要是防止电路持续工作在零点而无法正常工作的情况发生。

4) 运算放大器。运算放大器采用折叠式共源共栅放大器,输入采用PMOS差分对,目的是减少闪烁噪声,从而降低低频噪声。运放输入电压连接三极管发射极的输出,该值相对较小,因此PMOS能提高电压余度,同时考虑到带隙基准源启动时,晶体三极管射极为低电平,PMOS能够启动运算放大器[2]。尾电流源采用核心电路电流镜,宽长比设置为核心电路的一半,其次为了提高电源电压抑制比引入了共源共栅结构。共源极和公共栅极结构可以增加从输入到输出的阻抗,从而提高整个电路的PSRR。当电路增加有共源极和共栅极结构时,电源信号VDD到输出端的增益能力保持不变,但从输入到输出的增益能力Av提高了。电路中设计折叠共源共栅运放,左侧采用电流源镜像提供精确电流,最终输出单端控制信号。

5) 输出模块,通过米勒补偿电容输出电压值。通过以上设计得到设计原理图如图1。

图1 带隙基准源原理图[3]

2 仿真结果

图2是当T=300 k时候的电源电压稳定性仿真结果,表示带隙基准源输出电压随输入电源电压的变化曲线[4],当电源电压大于1.3 V后,输出电压稳定在1.211 V附近,几乎保持不变,因此可以得出设计的带隙基准源具有很好的电源电压稳定性。

图2 电源电压稳定性仿真结果

图3 温度特性仿真结果

图4 电源抑制比PSRR仿真结果

图5是带隙基准源输出噪声仿真结果。电压基准源输出的噪声通常包括宽带热噪声和窄带1/f噪声。宽带噪声可以通过简单的RC滤波器有效去除。1/f是基准源内部固有低频噪声,一般和器件的内部特性有关,无法消除,一般在0.1～10 Hz之间定义。这里我们通过仿真工具噪声分析主要噪声来源电路设计,加大沟道长度以减少1/f闪烁噪声。结果显示低频100 Hz时噪声输出为12.87 μV/sqrt(Hz),1 MHz时候噪声输出为325 nV/sqrt(Hz),仿真结果表示设计的基准源具有较低的噪声输出[6]。

图5 基准源输出噪声仿真结果

其他参数的仿真结果包括时域仿真和功耗仿真。瞬态时域仿真结果表示基准源能够在一定启动时间后进入稳定状态,输出值为1.214 V。基准源静态电流仿真结果表示基准源空载情况下输出电流约为30 μA,因此总功耗为0.09 mW左右,表明设计的电路功耗很低。

3 结果

表1 近年来不同结构带隙基准电压源性能指标对比

本文采用0.13 μm工艺设计了一种高PSRR,低温度系数的带隙基准源。在电路设计中采用共源共栅级联结构实现运放主电路,提高输出阻抗和PSRR,降低噪声,仿真结果采用cadence软件进行瞬态分析、电源抑制比仿真、温度特性和噪声特性仿真。结果显示,基准源电路的电压输出稳定为1.21 V,温度系数为6.44 ppm/℃,电源抑制比为-90.25 dB,功耗为0.09 mW。相对于近年来其他研究成果来说,温度系数性能更好,电源抑制比更低,能够更好地应用于高精度电路领域。