沈阳化工大学 王 健 石运栋

目前，随着便携式产品对低压低功耗要求的不断苛刻，如何研究集成电备，如笔记本电脑、手机、PDA、移动电源等等，也对带隙基准电路提出了相应新的需求。本文带隙基准电路包括带隙核心电路，电流偏置电路以及运算放大器，其电流偏置电路所有的MOS管工作状态都处在亚阈值区域。通过设计纳安级偏置电流电路，使其降低所产生的功耗，而且使得整体电路能在1.2V的低电压下正常工作。此外，采用了米勒补偿电路有效改善了电路的温漂系数。本文电路采用SMIC 0.18μm工艺模型，通过仿真结果显示，在1.2V的工作电源电压、环境温度-20～100℃下，实现了带隙基准电压为600mV，温漂系数仅为1.237ppm/°C，在低频100Hz时电源抑制比达到-88.5dB，其产生的功耗仅为67.72uW。

1 带隙基准电路工作原理

在传统的带隙基准电路设计中，其一般输出电压Vref会稳定在1.2V上下浮动，而其所用电路产生的Vref是通过两个正负电压相抵消来具体实现的。在保证MOS管正常工作的状态下，将所产生的正负温度系数进行合适的比例相加，就得到了一个与温度不相关的输出电压。

1.1 CTAT电压的产生

通过对双极性晶体管的研究，得到：

VBE对T取导数，最后可得：

1.2 PTAT电压的产生

由两个不同发射区面积组成双极晶体单元产生的PTAT电压电路，两晶体管参数相同，产生与温度无关的电压差。

这样就得到了一个正的温度系数电压。由上式可以得出，所产生的正温度系数与单个双级管没有关系，与这两个双级管产生的压差有关系。

2 带隙基准源的核心电路结构

2.1 核心电路设计

本文所设计的带隙基准源，其整体电路包括带隙基准核心电路，启动电路及偏置电流电路，其电路结构见图1。一般来说带隙基准电压源有两种选择模式，一种是电流模模式，一种是电压模模式。在选择电压模式时，一般的输出为1.25V；如果要达到本次输出的600mV左右，需要采用电流模式产生电路，因为它可以产生任意基准电压。

图1 带隙基准核心电路

在所需要的温度状况下，把正负温度系数电压进行相加而产生需要的基准电压：

经过cadence软件扫描，确定VBE的温度变化率，计算得到温度变化率大概在：-1.66466mV/℃。确定ΔVBE的温度变化率，当温度当温度从-20℃到100℃变化时，△VBE的变化率为180.5uV/℃。

计算温度抵消系数：

为了得到更好的温度特性，对电阻阻值进行在一定范围扫描来获得合适的阻值。当然这里的阻值选取并不是任意的，可以根据支路电路，运放的偏置电压，进行合理的仿真与设计，这只需要简单的参数扫描即可实现。由于手工计算并不是完美的，我们最后需要确定R3的数值，这同样把R3的参数作为参数变量，进行扫描，得到一个Vref为600mV的最优设计结果。

2.2 运放电路设计

本文的带隙基准源核心结构是由BJT和电阻构成，为了钳制电压，使核心电路正负端相等而加入了运算放大器。带隙基准电路中的运算放大器其产生的效果是使两个共模点产生的共模电平相一致，对增益的要求相对小一些。在运算放大器设计过程中，采用米勒补偿电路可以增加其工作时的稳定性，虽可以通过NMOS为差分输入管的单级，这样要达到较低电源工作电压的需求下，但对其所要实现的工艺要求较差，所以本文采用PMOS管作为差分输入。

其中使用较为广泛的运算放大器有那么几种结构：五管差分结构、套筒式共源共栅结构以及折叠式共源-共栅结构等等。本文所采用的全差分结构，这种方式经常会出现在运算放大器的共模输入端，但其所输出端方式却有两种情况：双端输出与单端输出。二级运放的单级结构设计比较简单，其稳定性非常好，相对不足的是产生较低的增益。在使用单级运放可靠性相关的问题，为设计多级运放作为选择的铺垫。此外，在搭建两级结构的同时，是否能够达到相对好的的性能，以及保证相对较好的稳定性，总体是在设计电路时候相对较好的选择。

为了避免产生振荡，使运放的主次极点而相互分离，本文采用了由MIM2电容组成的米勒补偿结构，其所产生的相位裕度需要满足要求。核心电路的电阻R1起到了抵消次级点的作用，极大的保证了电路的稳定性。此外，其他相关指标不是显得特别重要。

2.3 启动电路设计

另外，在电源电压工作过程中，也经常会有简并偏置点的存在。所谓的兼并点就是零点与正常工作点的两种工作状态。此外，需要设计一个启动电路来使其脱离产生的简并偏置点，从而使得带隙基准电压源进入工作状态。

图1右边部分是针对需要所设计的启动电路，由PM3，PM4，PM7，PM9和NM2，NM3组成。其中，PM4和NM2可作为一个反相器的设计。处于零点状态时，A点与Vref节点的电压皆为零，还未正常启动，核心电路没有电流产生。当电源电压逐渐增大时，PM4与NM2和M3构成普通反相器结构，高电平由NM3端输出，相当于给NM3给充电从使NM3导通，然后使运放输出电压拉低，带隙基准核心电路导通进入工作状态，NM3管失去作用而关断。启动电路中有三个二极管进行串联，当电源电压不断增加，三个二极管消耗一定的电压裕度，PM4和NM2一直处于关闭状态，使启动电路不产生没必要的功耗。

2.4 偏置电路设计

为实现一个低功耗，不可避免实现一个小的偏置电流。实现低功耗的过程有很多种方法，直接使用低阈值电压晶体管，或者利用衬底电压前向偏置来实现低阈值MOS管。本文利用MOS管亚阈值特性，设计了一款新颖的电流偏置电路，将偏置电流设置在18.55nA为达到功耗的目的，为其整体电路进行供电。其所有MOS管均处于亚阈值区域，在MOS管的尺寸选择上，偏置在亚阈值区的MOS管取较大的长度值，能够更好的提供较小的偏置电流，从而降低整体电路的功耗降低了基准的功耗和其温漂系数。中间是组成的正反馈电路，就会产生简并点。

3 电路仿真与分析

本文电路基于smic.18um工艺文件，设计了一种带有低功耗的带隙基准源电路结构，该基准电路结构带有亚阈值偏置电流的特点。其电源工作电压为1.5V，温度控制范围为-20℃～100℃时，输出电压随温度特性曲线结果见图2，仿真的温度曲线开口向上。通过偏置电路产生纳安级偏置电流，有效的提高了电源抑制比。在其温度以及电压变化正常范围内，产生温度系数1.237ppm/°C，整个电路产生的静态电流之和约为41.85uA，其产生的静态功耗约为67.72uW。

图2 输出电压变化曲线