一種基于LDO 穩(wěn)壓器的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計

張博亮

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院， 陜西 西安 710129）

CMOS 帶隙基準(zhǔn)電壓源不但能夠提供系統(tǒng)要求的基準(zhǔn)電壓或電流，而且具有功耗很小、高集成度和設(shè)計簡便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于模擬集成電路和混合集成電路中[1-2]。 帶隙基準(zhǔn)電壓源為LDO 提供一個精確的參考電壓， 是LDO 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵模塊之一。

基準(zhǔn)電壓的精度直接影響輸出電壓的精度，因此高精度基準(zhǔn)參考電壓電路是LDO 穩(wěn)壓器的的關(guān)鍵。

1 LDO 穩(wěn)壓器工作原理

圖1 是一個典型LDO 電路結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)主要包括4個部分：誤差放大器、電阻反饋網(wǎng)絡(luò)、參考基準(zhǔn)電壓和調(diào)整管。 當(dāng)基準(zhǔn)電壓源正常工作后， 產(chǎn)生了一個精準(zhǔn)的參考電壓， 輸入到誤差放大器的同相端。 采樣串聯(lián)電阻對輸出電壓進(jìn)行分壓得到反饋電壓，并輸入到誤差比較器的反相端。誤差放大器放大基準(zhǔn)電壓和反饋電壓之間的差值， 其輸出直接驅(qū)動調(diào)整元件， 通過改變調(diào)整元件的導(dǎo)通情況來控制穩(wěn)壓器的輸出電壓。 當(dāng)反饋電壓小于基準(zhǔn)電壓時，誤差放大器的輸出控制調(diào)整元件使其流過更大的電流， 輸出電壓上升，反之亦然[3-4]。

由上圖可知

2 帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計

2.1 帶隙基準(zhǔn)的基本原理

產(chǎn)生基準(zhǔn)的目的是建立一個與電源和工藝無關(guān)、具有確定溫度特性的直流電壓或電流。 帶隙基準(zhǔn)源的原理就是使負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù)相互抵消來達(dá)到溫度補償?shù)哪康摹?其基本原理如圖2 所示：其中Vbe具有負(fù)溫度系數(shù)，而VT具有正溫度系數(shù)，將Vbe和VT按一定比例系數(shù)求和，即可得到零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸出Vref[5]。

2.2 Brokaw 結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)

圖3 為一個非常簡單的Brokaw 結(jié)構(gòu)帶隙基準(zhǔn)電壓源。Q4與Q5的發(fā)射極面積之比為N 比1。 M2與M2構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)，并且它們的寬長比相同。 這使得流過Q4與Q5，集電極的電流相等，從而我們可以得到如下的關(guān)系:

圖2 帶隙基準(zhǔn)的基本原理圖Fig. 2 The basic principle of bandgap reference

由于ΔVEE是作用在R1上，所以我們可以得到

流過R1的電流，其約等于Q4與Q5集電極電流IC。

根據(jù)前面所述的電流關(guān)系， 我們可以得到流過R2的電流為流過R1的電流的兩倍，因此R2上的壓降為：

此結(jié)構(gòu)的輸出點在Q5的集電極， 所以我們可以得到最終溫度系數(shù)為零的輸出電壓表達(dá)式為：

從上式可以看出熱電壓的放大系數(shù)K 為：

在室溫下，

在273K 時，

從這個式子我們可以看出，Brokaw 結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)相較于前面的結(jié)構(gòu)最大的好處就是他將所需的R2的值減小了一半，并且直接在產(chǎn)生PTAT 電流的支路上生成帶隙基準(zhǔn)電壓。這樣不僅使得電路結(jié)構(gòu)簡化， 同時減小了所需的靜態(tài)功耗。除此之外減小R2的值還能夠減小輸出電壓的噪聲。 由于以上的優(yōu)點，使得它成為了一種非常流行的結(jié)構(gòu)。

圖3 簡單的Brokaw 結(jié)構(gòu)帶隙基準(zhǔn)Fig. 3 Simple bandgap reference of the Brokaw structure

2.3 帶隙基準(zhǔn)電壓的實現(xiàn)電路

實際的電路圖如圖4 所示。 帶隙基準(zhǔn)電壓的整個實現(xiàn)電路由啟動電路和Brokaw 結(jié)構(gòu)帶隙基準(zhǔn)組成。 對于基準(zhǔn)電壓源電路，啟動也是一個需要考慮的問題。 當(dāng)電源上電時，所有的晶體管均傳輸零電流， 因為電路的兩個支路允許零電流，則晶體管可能處于無限期關(guān)斷狀態(tài)，這時就需要增加電路以擺脫這種狀態(tài)。 啟動電路就是為了使電路在上電過程中脫離零電流點而穩(wěn)定工作； 另外，為了降低功耗，啟動電路在系統(tǒng)正常工作后應(yīng)斷開[6]。

啟動電路由M1～Mg組成。 電路上電時，A 點電位迅速提高，使得Mg導(dǎo)通，從而拉低了B 點電位，電路啟動，并且M1導(dǎo)通，M2和M7導(dǎo)通，將A 點電位拉低，使得Mg截止，啟動電路關(guān)閉，電路穩(wěn)定在正常工作點。

圖4 帶隙基準(zhǔn)實際電路Fig. 4 The circuit of bandgap reference

2.4 電路仿真

電路基于1.0 um HVCMOS 40V/5V 標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝模型，采用Cadence 的Spectre 進(jìn)行仿真。 仿真結(jié)果如下：

圖5 基準(zhǔn)電壓的溫度曲線Fig. 5 The temperature curve of the reference voltage

根據(jù)圖5，由溫度系數(shù)計算公式：

可算得在－20～125 ℃溫度范圍內(nèi)溫度系數(shù)為17.4 ppm/℃，具有良好的溫度特性。

3 LDO 緩沖器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 運算放大器的設(shè)計

運算放大器根據(jù)其中級聯(lián)放大單元的數(shù)目，可以分成單級、兩級和多級運放3 類。 單級運放結(jié)構(gòu)相對簡單，但增益較低；兩級運放能實現(xiàn)較高的性能，穩(wěn)定性較好，得到了廣泛應(yīng)用，但是速度、頻率特性方面一般比一級運放要差一些；3 級以上的運放稱為多級運放，它們能實現(xiàn)更高的增益，但需要復(fù)雜的補償電路來保證運放的穩(wěn)定性。 全差分運放是指輸入和輸出都是差分信號的運放，它同普通的單端輸出運放相比有以下幾個優(yōu)點:更低的噪聲；較大的輸出電壓擺幅；共模噪聲得到較好抑制；較好地抑制諧波失真的偶數(shù)階項等。 所以高性能的運放多采用全差分形式。

一般常用的3 種全差分運放有：直接套筒式共源共柵運放、折疊共源共柵運放和簡單兩級全差分運放。 經(jīng)過比較，為了減小直接套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)對運放輸出擺幅的限制，可以采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。 折疊結(jié)構(gòu)與直接套筒式結(jié)構(gòu)相比，功耗要略大一些，增益也有所降低，但是它的輸出電壓擺幅遠(yuǎn)大于前者，緩解了增益、電源電壓與輸出擺幅之間的矛盾。 因此折疊共源共柵是一種廣泛應(yīng)用的運放結(jié)構(gòu)。

由于所設(shè)計的電路應(yīng)用于電源芯片系統(tǒng)中，基于速度等方面綜合考慮， 選擇的是一個折疊式共源共柵運算放大器，另外由于運放在基準(zhǔn)中是用作負(fù)反饋，所以選用單端輸出的折疊運放。 具體電路如下圖：

圖6 折疊式共源共柵運算放大器Fig. 6 Folded cascode operational amplifier

3.2 LDO 緩沖器電路

將以上所述的帶隙基準(zhǔn)電路、運算放大器與電阻反饋網(wǎng)絡(luò)、LDO 緩沖器相結(jié)合，即可得圖1 所示典型LDO 電路。 根據(jù)輸出公式：

通過調(diào)節(jié)R3與R4比值即可獲得所需基準(zhǔn)電壓2.5 V。由圖7 易知基準(zhǔn)輸出電壓精度高于5‰，滿足高精度要求。

圖7 基準(zhǔn)電壓輸出曲線Fig. 7 The curve of reference voltage output

4 結(jié)束語

LDO 穩(wěn)壓器對基準(zhǔn)模塊具有較高的精度要求，從仿真結(jié)果可以看出在-20～125 ℃溫度范圍內(nèi)， 基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)大約為17.4 ppm/℃，而且基準(zhǔn)電壓輸出精度高于5‰，是一種低溫度系數(shù)高精度的CMOS 帶隙基準(zhǔn)電壓源。 本文給出的帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計方案符合LDO 穩(wěn)壓器對高精度電壓的所需。

[1] 畢查德·拉扎維. 模擬CMOS集成電路設(shè)計[M]. 陳貴燦，程軍，張瑞智，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

[2] Phillip E Allen，Douglas R Holberg.CMOS 模擬集成電路設(shè)計[M]. 馮軍，李智群，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3] 金梓才，戴慶元，黃文理. 一種基于LDO穩(wěn)壓器的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計[J]. 電子器件，2009，32（6）:1044.

[4] 林雙喜. 用于LDO穩(wěn)壓器的CMOS基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計[J]. 電子科技，2007（7）:9.

[5] 張彬.基于PWM的DC-DC轉(zhuǎn)換器的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計[D].成都： 西南交通大學(xué)，2009.

[6] 王曉艷，張志勇，盧照敢，等. 一種Brokaw帶隙電壓基準(zhǔn)的分析與設(shè)計[J]. 西北大學(xué)學(xué)報，2007，37（6）:993.