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带隙基准电压源电路设计研究

本文采用自偏压电流源电路,去掉运算放大器,利用MOS管电流镜技术补偿其输出电压所经过的三极管的基极电流获得精确的镜像电流,得到了在-20~+80℃温度范围内具有3×10-6?℃的温度系数的基准电压。

  1 引言

  近年来,模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术一起得到了飞速的发展,芯片系统集成(sys2temonchip)技术已经受到学术界及工业界广泛关注。随着电路系统结构的进一步复杂化,对模拟电路基本模块,如A/D、D/A转换器,滤波器电路以及锁相环等电路提出了更高精度及速度的要求。由于带隙基准电压、电流源电路的输出电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响,这就使得片内集成的带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。传统的基准电压源电路在0~70℃的温度范围内能产生温度系数为10-4?℃的基准电压,而且由于电路中存在运算放大器,基准源的指标在很大程度上受到运放失调电压(Offset)、电源电压抑制比(PSRR)等的限制,要想进一步提高电路的性能需在电路结构上进行改进。

  本文采用自偏压电流源电路,去掉运算放大器,利用MOS管电流镜技术补偿其输出电压所经过的三极管的基极电流获得精确的镜像电流,得到了在-20~+80℃温度范围内具有3×10-6?℃的温度系数的基准电压,并在该电路中采用自偏压、叠加式(Cas2code)结构电流源,将基准电压源的电源电压抑制比提高到了-85dB.

  2 电路结构

  2.1 传统的带隙基准电压源电路

  理想的带隙基准电压源电路的输出电压几乎不受温度变化、工艺变化、电源电压波动等因素的影响。这就要求我们在带隙基准电路中加入具有负温度系数的二极管以及正温度系数的热电压Vt,将这两部分电压适当相加,可得到如下所示的输出电压:

  

  将(1)式对温度微分,得到二极管电压在室温时的温度系数为-212mV?℃,而热电压Vt(Vt=KT?q)在室温时的温度系数为+01085mV?℃,再将这两个温度系数代入(1)式,可求得基准电压具有零温度系数时K的值。传统的带隙基准电压源电路结构如图1所示。

  

  

  图1中运算放大器的作用是在电路处于深度负反馈的情况下,使a,b两点的电压相等,若R1=R2,则会使得I1=I2,并满足:

  

  适当选取R 2, R 3 和n 值的大小, 即可得到具有零温度系数的输出电压V ref. 由于输入MO S 管的非对称性, 运算放大器存在有输入失调电压, 也就是当运放的输入电压为零时, 其输出电压不为零。 当运放的输入电压为V OS时, 我们可以得到基准电压的输出如(7) 式所示:

  

  此时基准源输出电压的电源电压抑制比完全受限于运算放大器的电源电压抑制比的大小。

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