帶隙電壓基準源的設計與分析

摘要 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。
關鍵詞 基準源；Banba結構；帶隙基準源；輸出電壓

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。