一種CMOS集成基準(zhǔn)電壓源的電路設(shè)計(jì)

貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 舒 梅

基準(zhǔn)電壓源在模擬及數(shù)、?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)中，是非常重要的電路模塊之一，這類器件的發(fā)展對(duì)基準(zhǔn)的噪聲、啟動(dòng)速度、電源紋波抑制比(PSRR)等提出了非常高的要求。通過巧妙設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電壓以其與工藝、電源電壓、溫度變化幾乎無關(guān)的特性，廣泛應(yīng)用在DC-DC轉(zhuǎn)換器、發(fā)射電路、LDO線性穩(wěn)壓器及高精度A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等多種集成電路中。本文在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路基礎(chǔ)上，對(duì)基準(zhǔn)電壓源提出了一些具體要求及相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，最終完成了一種以CMOS為主的集成基準(zhǔn)電壓源的電路設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)是以傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路為基礎(chǔ)，輔以相關(guān)的啟動(dòng)電路、電壓箝位電路、輸出緩沖電路來實(shí)現(xiàn)高精度、低溫度系數(shù)、強(qiáng)帶負(fù)載能力的設(shè)計(jì)目的。

由于基準(zhǔn)電路存在兩個(gè)平衡點(diǎn)，一個(gè)是零點(diǎn)，另一個(gè)是正常平衡點(diǎn)。為了避免上電后電路工作在零點(diǎn)，需要給它設(shè)計(jì)一個(gè)啟動(dòng)電路，保證電路在上電后工作在正常平衡點(diǎn)。在核心帶隙基準(zhǔn)電路中基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)生是靠電流鏡中的鏡像電流流經(jīng)電阻和二極管連接的PNP管形成的，這樣一來，電流鏡的失配就會(huì)對(duì)輸出基準(zhǔn)的精度產(chǎn)生很大的影響，在本設(shè)計(jì)中的電壓箝位電路就是為了降低電流鏡的失配。在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路中，基準(zhǔn)電壓是由鏡像電流流經(jīng)一個(gè)電阻產(chǎn)生的電壓疊加在一個(gè)VBE上形成的，這樣的基準(zhǔn)輸岀電阻比較高，在使用中需要在基準(zhǔn)和后續(xù)電路之間加一個(gè)緩沖器，這樣就限制了基準(zhǔn)源使用的靈活性。所以在本設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)輸出帶負(fù)載能力強(qiáng)的指標(biāo)，在帶隙基準(zhǔn)的輸出級(jí)加了一個(gè)單位增益的輸出緩沖級(jí)，但是這樣會(huì)使電路的PSRR降低。

通過以上的分析，得出具體的基準(zhǔn)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)源電壓的基本構(gòu)架

2 子電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中包括基準(zhǔn)核心產(chǎn)生電路、啟動(dòng)電路、電壓鉗位電路和輸出緩沖電路。以下對(duì)它們進(jìn)行逐一介紹。

2.1 基準(zhǔn)核心產(chǎn)生電路

我們都知道在集成電路中，與電源電壓無關(guān)的常用標(biāo)準(zhǔn)有如下的三類：

（1）由NPN管反向擊穿BE結(jié)構(gòu)成的齊納二極管的擊穿電壓VZ，VZ= 6～9V，它的溫度系數(shù)為：

（2）BE結(jié)二極管的正向壓降VBE，VBE= 0.6～0.8V，它通過對(duì)溫度求導(dǎo)，其溫度系數(shù)為：

（3）等效熱電壓Vt，Vt= 26mV，其溫度系數(shù)為：

圖2 帶隙基準(zhǔn)電壓源原理框圖

由此可見，這三種標(biāo)準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)有正也有負(fù)。利用VZ、Vt和VBE的溫度系數(shù)符號(hào)正好相反，以及集成電路中元器件之間匹配和溫度跟蹤較好的特點(diǎn)，將這三種標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行不同的組合，可以得到不同的對(duì)電源電壓及溫度不敏感的基準(zhǔn)電壓。

圖2所示是帶隙基準(zhǔn)電壓源的原理框圖，從圖中可以看出，基準(zhǔn)電壓VREF由具有負(fù)溫度系數(shù)(約為-2mV/℃)的E-B結(jié)電壓VEB和具有正溫度系數(shù)的熱電壓Vt通過線性疊加，從而實(shí)現(xiàn)了室溫下具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸岀。從框圖中可以看出VREF=VEB+mVt，與電源電壓無關(guān)。

圖3所示為帶隙基準(zhǔn)核心電路的具體實(shí)現(xiàn)電路，下面進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明。圖中由M1、M2、M3組成的鏡像電流源，使流過三個(gè)管的電流相等，均為I；由M4、M5組成的電壓鉗制電路，使A、B兩點(diǎn)的電壓能夠保持一致。電壓鉗制電路和鏡像電流源在一起組成了一個(gè)PTAT源，通過用它的正溫度系數(shù)去補(bǔ)償P-N結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)，得到了基本上不隨溫度變化的基準(zhǔn)電壓。

經(jīng)過分析計(jì)算得出在-20℃～100℃的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓VREF的變化過程為：

圖3 帶隙基準(zhǔn)核心電路

1.256128227V～1.2568V～1.255377591V，其最大偏差為0.001422409V，這個(gè)值是很小的，說明該基準(zhǔn)電壓源的溫度特性比較好。

2.2 啟動(dòng)隔離電路

由于前面的核心電路在電源接通以后，所有的晶體管都有可能傳輸零電流，那么該電路就可能會(huì)無限期的保持中斷，將導(dǎo)致整個(gè)電路無法正常工作。為了避免電路上電后可能會(huì)工作在平衡零點(diǎn)，就需要用一個(gè)啟動(dòng)電路來保證上電后電路能進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在電路達(dá)到正常工作平衡點(diǎn)后，需要有一條支路把啟動(dòng)電路和基準(zhǔn)核心電路隔離開，避免因?yàn)閱?dòng)電路輸出點(diǎn)對(duì)基準(zhǔn)核心電路中的電壓鉗制作用而破壞電路的功能，所以這部分電路叫做啟動(dòng)隔離電路。

圖4 啟動(dòng)隔離電路

本設(shè)計(jì)中的啟動(dòng)隔離電路如圖4所示，電路中a點(diǎn)電壓取自帶隙核心電路中電阻R1的上端，b點(diǎn)輸出電壓接到電流鏡的柵級(jí)。電路剛上電的瞬間，a點(diǎn)為低電位，經(jīng)過M1和M2組成的反相器后得到一高電平驅(qū)動(dòng)M3管導(dǎo)通，電源開始對(duì)電容C0充電，b點(diǎn)電位開始上升，驅(qū)動(dòng)帶隙核心電路中的電流鏡支路，從而驅(qū)使整個(gè)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，a點(diǎn)取樣來的電壓為高電平，經(jīng)反相器后使M3管關(guān)斷，因?yàn)檫@時(shí)電路已進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，電容C0對(duì)直流電源vdd呈現(xiàn)為斷路，b點(diǎn)和啟動(dòng)電路隔離開來，達(dá)到了啟動(dòng)隔離的作用。

這一啟動(dòng)隔離電路的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，邏輯思路明確。其缺點(diǎn)是電容C0的存在會(huì)使電路的啟動(dòng)時(shí)間受到限制，并且在電路中引入電容會(huì)使芯片電路的版圖面積增加。

2.3 電壓箝位電路

在前面介紹的帶隙基準(zhǔn)核心電路中，電流鏡中的電壓箝位是靠由M4、M5管構(gòu)成的NMOS鏡像電流源實(shí)現(xiàn)的，這是利用鏡像電流源能降低對(duì)電源電壓的敏感度原理來實(shí)現(xiàn)的。但是這個(gè)電壓箝位電路過于簡(jiǎn)單，不能很好的鉗制兩條電流鏡支路上的電壓，從而會(huì)引起電流鏡的失配。

我們知道，運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端之間只存在很小的失調(diào)電壓，它們之間可以看作是虛短路的，這樣就可將兩點(diǎn)的電壓鉗制的很好。鑒于本設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求不是特別高，該電壓鉗制電路用差分放大器就能達(dá)到指標(biāo)要求。如圖5所示，P5、P6構(gòu)成的PMOS鏡像電流源為差分放大器的有源負(fù)載，N3、N4構(gòu)成的NMOS鏡像電流源為差分對(duì)提供偏置電流，偏置電流Iss由帶隙基準(zhǔn)核心電路中的電流鏡鏡像而來。差分對(duì)的輸出取自N1管的漏級(jí)，該輸出接到各條電流鏡支路中PMOS管的柵級(jí)，形成一個(gè)反饋回路。這樣可改善普通電流鏡電路中由于其中一條支路的PMOS器件柵源互連所帶來的電流失配。

圖5 電壓箝位電路

圖6 單位增益的輸出緩沖級(jí)

2.4 輸出緩沖級(jí)

如圖6所示，本設(shè)計(jì)中的輸出緩沖級(jí)采用的是一個(gè)單位增益的差分放大器，這級(jí)電路具有正的溫度系數(shù)，要得到低溫度系數(shù)的輸岀電壓，需要調(diào)節(jié)前級(jí)電路的溫度系數(shù)來補(bǔ)償這一正溫度系數(shù)。從圖6中可以看出，加了這一級(jí)后，當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，各MOS管均工作在飽和狀態(tài)，輸出電阻很小，電路的輸岀驅(qū)動(dòng)能力得到了提高。

結(jié)語：總的來說，本設(shè)計(jì)基本完成了對(duì)整個(gè)“CMOS集成基準(zhǔn)電壓源”的設(shè)計(jì)，若在后期的工作中對(duì)設(shè)計(jì)做進(jìn)一步的完善，則所得到的芯片將基本上都具有CMOS集成基準(zhǔn)電壓源所具有的“高精度、低溫度系數(shù)、強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)能力”等功能。由于受制造工藝的影響，芯片的性能可能和設(shè)計(jì)所要求的技術(shù)指標(biāo)略有偏差。