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介紹了基準源的發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，重點對自啟動電路及放大電路部分進行了分析，得到并分析了輸出電壓與溫度的關系。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的設計人員提供參考。可以為串聯型穩壓電路、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、數模混合信號集成電路和系統集成芯片中，其精度和穩定性直接決定整個系統的精度。在模／數轉換器(ADC)、數／模轉換器(DAC)、動態存儲器(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鍵。
在集成電路工藝發展早期，基準源主要采用齊納基準源實現，如圖1(a)所示。它利用了齊納二極管被反向擊穿時兩端的電壓。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，如圖1(b)所示。其缺點：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。接下來的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分別提出了改進帶隙基準結構。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，增加了自啟動電路模塊及放大電路模塊，使其可以自動進入正常工作狀態并增加其穩定性。

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。
為得到與溫度無關的電壓源，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，得到一個與溫度無關的基準電壓。圖2為一個基本的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構成一個負反饋，使得運放正負輸入端電壓相等。發射極面積之比為n的兩個三極管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，可以用來補償Q1管子VBE中隨絕對溫度線性減小的部分。合理選擇R1、R2及n的值，可以得到與溫度無關的輸入電壓

以上電路可以得到的輸出電壓與溫度的關系一般是開口向上或向下的拋物線，這樣容易想到若再疊加一定的曲線，就可以進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結合，或應用不同工藝來制造的新基準源電路，也是很有發展潛質的一個方法。其中，2003年Leung利用了與溫度有關的電阻比，一個用高阻多晶電阻，另一個用擴散電阻，這樣通過這兩個電阻上的壓降與VBE相加，就可以VBE消除VBE溫度系數的非線性。

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年發表于JSSC上的基準源結構基礎上添加了自啟動電路及放大電路構成，如圖3所示。


組成：第一部分為啟動電路，主要由MSA，MSB，MSC三個管子的性能來決定電路的自啟動；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。
本結構的優點體現在以下幾個方面：
(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，而這個結構的Vref通過兩個電流的和在電阻上的壓降來實現：一個電流與三極管的VBE成正比，另一個與VT成正比，產生的基準電流通過MOS管M3鏡像到輸出電流，再通過輸出負載電阻R4決定輸出參考電壓，方便改變所需產生的電壓值。
(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，達到對核心部分沒有影響的效果，所以此結構是對Banba結構的一種改進。
(3)啟動電路使電路節點處于簡并狀態時也可以自動進入正常工作狀態，在Banba結構中，其自啟動方法是采用一個額外的脈沖(Power On -Reset Signal)來實現，這在模擬與混合電路中較少用到，所以文中添加了啟動部分的電路，雖然增加了元件數，卻能使制造和啟動過程簡單實用。
2．2 自啟動模塊及放大電路模塊分析
在放大器的偏置電路中，如果初始狀態節點2的電壓為0，則出現簡并，在沒有外界刺激情況下不會工作，這在實際應用中是不可接受的，所以必須去除簡并點，方法如圖4所示，由3個MOS管形成開啟電路。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，這樣如果啟動點為PMOS柵極，該PMOS管導通，電路可以開始工作。最后還必須使MSB脫離，當電路開始正常工作時，MSC管開啟，這樣就再次使5節點電平下降，MSB管由此關斷，脫離了啟動部分。

帶隙電路中的放大器主要作用是使兩個輸入點的電平相等，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系圖。可以看出結果為：在-50～100℃內，相差最大的參考電壓的對應兩點變化為96．71℃，901．176μV，相應溫度系數為

從實用角度看，也就是說溫度在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，實際情況或許會有些偏差。


3 結束語
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，是當代模擬集成電路極為重要的組成部分，它為串聯型穩壓電路、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。