张博亮

（西北工业大学 电子信息学院， 陕西 西安 710129）

CMOS 带隙基准电压源不但能够提供系统要求的基准电压或电流，而且具有功耗很小、高集成度和设计简便等优点，广泛应用于模拟集成电路和混合集成电路中[1-2]。 带隙基准电压源为LDO 提供一个精确的参考电压， 是LDO 系统设计关键模块之一。

基准电压的精度直接影响输出电压的精度，因此高精度基准参考电压电路是LDO 稳压器的的关键。

1 LDO 稳压器工作原理

图1 是一个典型LDO 电路结构。 该结构主要包括4个部分：误差放大器、电阻反馈网络、参考基准电压和调整管。 当基准电压源正常工作后， 产生了一个精准的参考电压， 输入到误差放大器的同相端。 采样串联电阻对输出电压进行分压得到反馈电压，并输入到误差比较器的反相端。误差放大器放大基准电压和反馈电压之间的差值， 其输出直接驱动调整元件， 通过改变调整元件的导通情况来控制稳压器的输出电压。 当反馈电压小于基准电压时，误差放大器的输出控制调整元件使其流过更大的电流， 输出电压上升，反之亦然[3-4]。

由上图可知

2 带隙基准电压源的设计

2.1 带隙基准的基本原理

产生基准的目的是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。 带隙基准源的原理就是使负温度系数和正温度系数相互抵消来达到温度补偿的目的。 其基本原理如图2 所示：其中Vbe具有负温度系数，而VT具有正温度系数，将Vbe和VT按一定比例系数求和，即可得到零温度系数的基准输出Vref[5]。

2.2 Brokaw 结构的带隙基准

图3 为一个非常简单的Brokaw 结构带隙基准电压源。Q4与Q5的发射极面积之比为N 比1。 M2与M2构成电流镜结构，并且它们的宽长比相同。 这使得流过Q4与Q5，集电极的电流相等，从而我们可以得到如下的关系:

图2 带隙基准的基本原理图Fig. 2 The basic principle of bandgap reference

由于ΔVEE是作用在R1上，所以我们可以得到

流过R1的电流，其约等于Q4与Q5集电极电流IC。

根据前面所述的电流关系， 我们可以得到流过R2的电流为流过R1的电流的两倍，因此R2上的压降为：

此结构的输出点在Q5的集电极， 所以我们可以得到最终温度系数为零的输出电压表达式为：

从上式可以看出热电压的放大系数K 为：

在室温下，

在273K 时，

从这个式子我们可以看出，Brokaw 结构的带隙基准相较于前面的结构最大的好处就是他将所需的R2的值减小了一半，并且直接在产生PTAT 电流的支路上生成带隙基准电压。这样不仅使得电路结构简化， 同时减小了所需的静态功耗。除此之外减小R2的值还能够减小输出电压的噪声。 由于以上的优点，使得它成为了一种非常流行的结构。

图3 简单的Brokaw 结构带隙基准Fig. 3 Simple bandgap reference of the Brokaw structure

2.3 带隙基准电压的实现电路

实际的电路图如图4 所示。 带隙基准电压的整个实现电路由启动电路和Brokaw 结构带隙基准组成。 对于基准电压源电路，启动也是一个需要考虑的问题。 当电源上电时，所有的晶体管均传输零电流， 因为电路的两个支路允许零电流，则晶体管可能处于无限期关断状态，这时就需要增加电路以摆脱这种状态。 启动电路就是为了使电路在上电过程中脱离零电流点而稳定工作； 另外，为了降低功耗，启动电路在系统正常工作后应断开[6]。

启动电路由M1～Mg组成。 电路上电时，A 点电位迅速提高，使得Mg导通，从而拉低了B 点电位，电路启动，并且M1导通，M2和M7导通，将A 点电位拉低，使得Mg截止，启动电路关闭，电路稳定在正常工作点。

图4 带隙基准实际电路Fig. 4 The circuit of bandgap reference

2.4 电路仿真

电路基于1.0 um HVCMOS 40V/5V 标准CMOS 工艺模型，采用Cadence 的Spectre 进行仿真。 仿真结果如下：

图5 基准电压的温度曲线Fig. 5 The temperature curve of the reference voltage

根据图5，由温度系数计算公式：

可算得在－20～125 ℃温度范围内温度系数为17.4 ppm/℃，具有良好的温度特性。

3 LDO 缓冲器电路结构设计

3.1 运算放大器的设计

运算放大器根据其中级联放大单元的数目，可以分成单级、两级和多级运放3 类。 单级运放结构相对简单，但增益较低；两级运放能实现较高的性能，稳定性较好，得到了广泛应用，但是速度、频率特性方面一般比一级运放要差一些；3 级以上的运放称为多级运放，它们能实现更高的增益，但需要复杂的补偿电路来保证运放的稳定性。 全差分运放是指输入和输出都是差分信号的运放，它同普通的单端输出运放相比有以下几个优点:更低的噪声；较大的输出电压摆幅；共模噪声得到较好抑制；较好地抑制谐波失真的偶数阶项等。 所以高性能的运放多采用全差分形式。

一般常用的3 种全差分运放有：直接套筒式共源共栅运放、折叠共源共栅运放和简单两级全差分运放。 经过比较，为了减小直接套筒式共源共栅结构对运放输出摆幅的限制，可以采用折叠共源共栅结构。 折叠结构与直接套筒式结构相比，功耗要略大一些，增益也有所降低，但是它的输出电压摆幅远大于前者，缓解了增益、电源电压与输出摆幅之间的矛盾。 因此折叠共源共栅是一种广泛应用的运放结构。

由于所设计的电路应用于电源芯片系统中，基于速度等方面综合考虑， 选择的是一个折叠式共源共栅运算放大器，另外由于运放在基准中是用作负反馈，所以选用单端输出的折叠运放。 具体电路如下图：

图6 折叠式共源共栅运算放大器Fig. 6 Folded cascode operational amplifier

3.2 LDO 缓冲器电路

将以上所述的带隙基准电路、运算放大器与电阻反馈网络、LDO 缓冲器相结合，即可得图1 所示典型LDO 电路。 根据输出公式：

通过调节R3与R4比值即可获得所需基准电压2.5 V。由图7 易知基准输出电压精度高于5‰，满足高精度要求。

图7 基准电压输出曲线Fig. 7 The curve of reference voltage output

4 结束语

LDO 稳压器对基准模块具有较高的精度要求，从仿真结果可以看出在-20～125 ℃温度范围内， 基准电压温度系数大约为17.4 ppm/℃，而且基准电压输出精度高于5‰，是一种低温度系数高精度的CMOS 带隙基准电压源。 本文给出的带隙基准电压源的设计方案符合LDO 稳压器对高精度电压的所需。

[1] 毕查德·拉扎维. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 陈贵灿，程军，张瑞智，译.西安：西安交通大学出版社，2003.

[2] Phillip E Allen，Douglas R Holberg.CMOS 模拟集成电路设计[M]. 冯军，李智群，译.北京：电子工业出版社，2005.

[3] 金梓才，戴庆元，黄文理. 一种基于LDO稳压器的带隙基准电压源设计[J]. 电子器件，2009，32（6）:1044.

[4] 林双喜. 用于LDO稳压器的CMOS基准电压源的设计[J]. 电子科技，2007（7）:9.

[5] 张彬.基于PWM的DC-DC转换器的带隙基准电压源设计[D].成都： 西南交通大学，2009.

[6] 王晓艳，张志勇，卢照敢，等. 一种Brokaw带隙电压基准的分析与设计[J]. 西北大学学报，2007，37（6）:993.