介紹了基準源的發(fā)展和基本工作原理以及目前較常用的帶隙基準源電路結構。設計了一種基于Banba結構的基準源電路，重點(diǎn)對自啟動(dòng)電路及放大電路部分進(jìn)行了分析，得到并分析了輸出電壓與溫度的關(guān)系。文中對帶隙電壓基準源的設計與分析，可以為電壓基準源相關(guān)的設計人員提供參考�？梢詾榇�聯(lián)型穩壓電路、A／D和D／A轉化器提供基準電壓，也是大多數傳感器的穩壓供電電源或激勵源。
基準源廣泛應用于各種模擬集成電路、數�；旌闲盘柤�成電路和系統集成芯片中，其精度和穩定性直接決定整個(gè)系統的精度。在模／數轉換器(ADC)、數／模轉換器(DAC)、動(dòng)態(tài)存儲器(DRAM)等集成電路設計中，低溫度系數、高電源抑制比(PSRR)的基準源設計十分關(guān)鍵。
在集成電路工藝發(fā)展早期，基準源主要采用齊納基準源實(shí)現，如圖1(a)所示。它利用了齊納二極管被反向擊穿時(shí)兩端的電壓。由于半導體表面的沾污等封裝原因，齊納二極管噪聲嚴重且不穩定。之后人們把齊納結移動(dòng)到表面以下，支撐掩埋型齊納基準源，噪聲和穩定性有較大改觀(guān)，如圖1(b)所示。其缺點(diǎn)：首先齊納二極管正常工作電壓在6～8 V，不能應用于低電壓電路；并且高精度的齊納二極管對工藝要求嚴格、造價(jià)相對較高。


1971年，Widlar首次提出帶隙基準結構。它利用VBE的正溫度系數和△VBE的負溫度系數特性，兩者相加可得零溫度系數。相比齊納基準源，Widlar型帶隙基準源具有更低的輸出電壓，更小的噪聲，更好的穩定性。接下來(lái)的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分別提出了改進(jìn)帶隙基準結構。新的結構中將運算放大器用于電壓鉗位，提高了基準輸出電壓的精度。
以上經(jīng)典結構奠定了帶隙基準理論的基礎。文中介紹帶隙基準源的基本原理及其基本結構，設計了一種基于Banba結構的帶隙基準源，相對于Banba結構，增加了自啟動(dòng)電路模塊及放大電路模塊，使其可以自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)并增加其穩定性。

1 帶隙基準源工作原理
由于帶隙電壓基準源能夠實(shí)現高電源抑制比和低溫度系數，是目前各種基準電壓源電路中性能最佳的基準源電路。
為得到與溫度無(wú)關(guān)的電壓源，其基本思路是將具有負溫度系數的雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE與具有正溫度系數的雙極晶體管VBE的差值△VBE以不同權重相加，使△VBE的溫度系數剛好抵消VBE的溫度系數，得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準電壓。圖2為一個(gè)基本的CMOS帶隙基準源結構電路。

其中，Vref為輸出的基準電壓；VBE為圖2中Q1的基極-發(fā)射極電壓；R1，R2在電路中的位置如圖2所示。
圖2電路工作原理為：運算放大器、PMOS管M1和M2構成一個(gè)負反饋，使得運放正負輸入端電壓相等。發(fā)射極面積之比為n的兩個(gè)三極管Q1、Q2的VBE差值△VBE加在電阻R1上。運放的輸入電流為零，所以電阻R1、R2上的電壓也和絕對溫度成正比，可以用來(lái)補償Q1管子VBE中隨絕對溫度線(xiàn)性減小的部分。合理選擇R1、R2及n的值，可以得到與溫度無(wú)關(guān)的輸入電壓

以上電路可以得到的輸出電壓與溫度的關(guān)系一般是開(kāi)口向上或向下的拋物線(xiàn)，這樣容易想到若再疊加一定的曲線(xiàn)，就可以進(jìn)一步消除輸出電壓的溫度效應，使電壓更加穩定。
這種思想早在1983年B．S．Song和P．R．Grav就提出了，之后誕生了很多根據不同曲線(xiàn)結合，或應用不同工藝來(lái)制造的新基準源電路，也是很有發(fā)展潛質(zhì)的一個(gè)方法。其中，2003年Leung利用了與溫度有關(guān)的電阻比，一個(gè)用高阻多晶電阻，另一個(gè)用擴散電阻，這樣通過(guò)這兩個(gè)電阻上的壓降與VBE相加，就可以VBE消除VBE溫度系數的非線(xiàn)性。

2 一種基于Banba結構的基準源
2．1 基本結構
文中設計的一種帶隙基準源電路，是在1999年發(fā)表于JSSC上的基準源結構基礎上添加了自啟動(dòng)電路及放大電路構成，如圖3所示。


組成：第一部分為啟動(dòng)電路，主要由MSA，MSB，MSC三個(gè)管子的性能來(lái)決定電路的自啟動(dòng)；第二部分為放大器，采用二級Miller電路，并且從帶隙部分獲得偏置電流；第三部分與Banba結構基本一致。
本結構的優(yōu)點(diǎn)體現在以下幾個(gè)方面：
(1)在傳統的帶隙基準電路中，輸出電壓VBE約為1．25 V，這就限制了電源電壓在1 V以下的應用，而這個(gè)結構的Vref通過(guò)兩個(gè)電流的和在電阻上的壓降來(lái)實(shí)現：一個(gè)電流與三極管的VBE成正比，另一個(gè)與VT成正比，產(chǎn)生的基準電流通過(guò)MOS管M3鏡像到輸出電流，再通過(guò)輸出負載電阻R4決定輸出參考電壓，方便改變所需產(chǎn)生的電壓值。
(2)放大器中采用Miller補償可以增加穩定性，Hironori Banba等采用的是以NMOS為差分輸出管的單級運放，這樣要達到較低電源電壓則需要非標準的耗盡型器件，對工藝的轉換性較差，所以文中采用PMOS管作為差分輸入。由于放大器在電路中起的作用是保證1、2電壓的相等，達到對核心部分沒(méi)有影響的效果，所以此結構是對Banba結構的一種改進(jìn)。
(3)啟動(dòng)電路使電路節點(diǎn)處于簡(jiǎn)并狀態(tài)時(shí)也可以自動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，在Banba結構中，其自啟動(dòng)方法是采用一個(gè)額外的脈沖(Power On -Reset Signal)來(lái)實(shí)現，這在模擬與混合電路中較少用到，所以文中添加了啟動(dòng)部分的電路，雖然增加了元件數，卻能使制造和啟動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)單實(shí)用。
2．2 自啟動(dòng)模塊及放大電路模塊分析
在放大器的偏置電路中，如果初始狀態(tài)節點(diǎn)2的電壓為0，則出現簡(jiǎn)并，在沒(méi)有外界刺激情況下不會(huì )工作，這在實(shí)際應用中是不可接受的，所以必須去除簡(jiǎn)并點(diǎn)，方法如圖4所示，由3個(gè)MOS管形成開(kāi)啟電路。由于PMOS管MSA的柵極接地，所以MSA始終導通，這樣使得S點(diǎn)電平升高，S也是MSB管的柵極，因此MSB管導通，它的漏極電平降低，這樣如果啟動(dòng)點(diǎn)為PMOS柵極，該PMOS管導通，電路可以開(kāi)始工作。最后還必須使MSB脫離，當電路開(kāi)始正常工作時(shí)，MSC管開(kāi)啟，這樣就再次使5節點(diǎn)電平下降，MSB管由此關(guān)斷，脫離了啟動(dòng)部分。

帶隙電路中的放大器主要作用是使兩個(gè)輸入點(diǎn)的電平相等，所以只要增益足夠就可以，另外為了防止振蕩，相位裕度也要足夠，其他指標不是特別重要。圖5為放大器的核心部分，各部分作用：MA1、MA2為第一級差分放大，MA6為第二級放大，MA5、MA7從帶隙部分偏置電流分配給放大部分MOS管。Cc為密勒電容，將主次極點(diǎn)分離，也可增大相位裕度。


2．3 Spectre仿真結果及分析
圖6為使用Cadence的仿真軟件Speetre在臺積電(TSMC)0．18μm工藝下如圖3所示的一種基于Banba結構的Bandgap的輸出參考電壓與溫度的關(guān)系圖�？梢钥闯鼋Y果為：在-50～100℃內，相差最大的參考電壓的對應兩點(diǎn)變化為96．71℃，901．176μV，相應溫度系數為

從實(shí)用角度看，也就是說(shuō)溫度在70 ℃的變化范圍內，此電路均有2-11的精度。但這是在TT模式下、不考慮版圖布局、寄生電阻及電容等的情況下仿真的結果，實(shí)際情況或許會(huì )有些偏差。


3 結束語(yǔ)
基準源的設計與應用在基準電壓源是模擬集成電路的基礎模塊，它在電路系統中為其他功能模塊提供高精度的電壓基準，或由其轉化為高精度電流基準。一個(gè)合格的基準電壓源對電源電壓、工作溫度、輸出負載變化、制造工藝不敏感，可以為其他電路模塊提供精確的參考點(diǎn)，是當代模擬集成電路極為重要的組成部分，它為串聯(lián)型穩壓電路、A／D和D／A轉化器提供基準電壓，也是大多數傳感器的穩壓供電電源或激勵源。