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带有自偏置功能的高性能带隙基准源电路

时间:2016-07-11  作者:佚名

论文摘要】本文采用HLMC 55LP工艺,设计了一个输入范围1.6V-3.3V,输出范围为1.2V±2%的BGR(带隙基准源)。本文首先介绍BGR的工作原理,同时着重介绍本设计中所使用的新的设计方法及其优势。本次设计经过前后仿验证,得到高的输出精度。

【关键词】BGR(带隙基准源);环路补偿;自偏置;Trimming(修调)

1 介绍

模拟电路中广泛地包含电压基准(reference voltage)和电流基准(current reference)。在数/模转换器、模/数转换器等电路中,基准电压的精度直接决定着这些电路的性能。这种基准应该与电源和工艺参数的关系很小,但是与温度的关系是确定的。在大多数应用中,所要求的温度关系通常分为与绝对温度成正比(PTAT)和与温度无关2种。而目前主流的基准源都是采用后者,即与温度无关。本设计就是设计一个不受温度影响的输出精度高的基准源。

2 基本原理

由于大多数工艺参数和温度有关,因此,和温度无关,即和工艺无关。利用PN结二极管的基极-发射结正向电压,具有负温度系数;而不同电流密度下的二个PN结二极管的基极-发射极正向电压之差,具有正温度系数;将两个具有正温度系数和负温度系数的量加权相加,则得到量显示零温度系数。输出电压公式为:

VREF=VBE+KVT(1)

3 负温度系数电压的产生

4 正温度系数电压的产生

两个三极管工作在不同的电流密度下,它们的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。如果两个同样的三极管(IS1=IS2),偏置的集电极电流分别为nI0和I0,并忽略他们的基极电流,那么:

5 一阶温度补偿带隙基准源

将正、负温度系数的电压加权相加,就可以得到一个近似与温度无关的基准电压。常见的一阶可调基准源电路如图1所示。

式中:N为Q2与Q1的发射结面积之比,式(4)中第一项具有负的温度系数,第二项具有正、负温度系数,合理设计R0与R1的比值和N的值,就可以得到在某一温度下的零温度系数的一阶基准电压。式(5)中方括号内是约为1.25 V的一阶温度无关基准电压,通过调节R2/R0的比值,可以得到不同大小的基准电压。

6 电路结构及原理分析

本设计中使用了新的电路结构和新的设计方法,比如使用了新的启动电路结构,自偏置电路结构和源极负反馈补偿的方法。图2为本文设计的BGR基本电路图,包含A启动电路、B运放电路及反馈电路、C带隙核心电路。

其中图2 中由PM8,PM9,NM4组成了本设计的启动电路部分;由PM1,PM2,PM5,PM6,NM1,NM2,NM3组成了二级运放电路部分;由PM3,PM7,PM4,Q1,Q2,R1,R2,R3,R4组成带隙核心电路。同时通过PM1,PM2,PM3,PM7组成的镜像,运放的偏置电流由带隙基准主体电路提供,将之称为自偏置带隙基准电路。

7 启动电路

在电源上电的过程中,NM4逐渐开启,小学语文方面的论文使PM9的栅电压为低电压。PM9开启,将VN拉至电源电压。NM3开启,产生偏置电流,使得运放和带隙基准主体开始工作。这是以自偏置的带隙基准为例。

整个带隙基准电路正常工作之后,PM8镜像PM2的电流,该电流在NM4上产生电压,当该电压大于电源电压减去PM9的阈值电压时,PM9关闭,启动电路不再对主体电路产生影响。

当带隙基准电路因为某种情况进入小电流工作的简并状态时,PM8镜像到的电流将减小,此时NM4上的电压下降,PM9开启,VN点电压上升,NM3开启,产生偏置电流使得运放和带隙基准主体开始工作。

从本设计中可以看到,当运放采用带隙基准主体电路提供偏置电流(自偏置)的时候,本项目的启动电路可以同时使得运放和带隙基准主体开始工作,可加快电路的启动过程。启动电路是否工作是通过镜像工作电流的方式,相比常用的启动电路方式(如检测三级管上的电压,通常是与MOS管阈值电压作比较)更加简单,更加可靠。

8 运放

本设计中使用的运放是简单的二级运放结构,但是同时使用了自偏置的的结构,如图2中B部分的电路。

当启动电路开启时,通过VN点使运放NM3 的栅极电压增大,使NM3开通,然后运放通过PM2形成的自偏置环路开始自启工作。这样设计省去了传统设计中的偏置电流产生电路,很大程度上减小了电路功耗。

9 带隙核心电路

当运放稳定后,通过反馈使其输入电压相等,使得VB1=VB2=VBE,此时PM3、PM4、PM7产生镜像比例电流,流过R1的电流是PTAT电流,它加到了一个VBE/R3 的电流上,此时通过电流镜像,使得PM3 得到了最终的输出电流,电阻R4决定了输出电压VBGH。

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