改进型带隙基准电压源设计

聂素丽

（厦门南洋职业学院，福建厦门,361000）

改进型带隙基准电压源设计

聂素丽

（厦门南洋职业学院，福建厦门,361000）

传统带隙基准源结构能输出比较精确的电压，但其电源电压较高，要在较低的电源电压下得到更低电压的基准电压，就必须对基准源路结构进行改进和提高。本文提出了一种改进型的带隙基准电压源设计，可以输出较低的基准电压，基本能够满足复杂苛刻的工业生产环境的需求。

带隙基准；零温度系数；低电压

0 引言

随着深亚微米集成电路的不断发展，低功耗成为衡量电路性能的主要因素,低电源电压的集成电路成为主流，所以低电压基准源的设计被提上日程，受到很多人的关注。由于带隙基准源具有低温度系数和高电源抑制比等优点，成为目前各种基准电压源电路中最良好的基准源电路。

1 改进型带隙基准电压源电路

在传统带隙基准电压源电路的设计中，一般需要设计低失调的运算放大器，来保证电路工作在深反馈状态，从而输出稳定的参考电压。但在深亚微米的低电压电源情况下，很难设计出满足需求的运算放大器，更难控制运放的失调电压。所以采用电流镜负载的差分放大器来实现电压基准源的低电源电压设计，然后采用电阻二次分压技术调整参考电压的输出范围，实现可供调整的输出电压。电阻二次分压技术用于带隙基准源电路原理图如图 1所示。

图1 改进型带隙基准源电路原理图

当运放处于深度负反馈时，A 与 B 点电势相等。此时基准电压为：

根据图 1的原理图，采用电流镜负载的差分放大器设计的低电压带隙基准电压源如图2所示。

图2 改进型低压输出带隙基准电压源

低电压带隙基准源的电流源既用于提供基准输出所需的电流，也用于产生所需的电流源偏置电压。R2、R3和T3组成电阻二次分压电路，用于控制VREF的输出。电容C、MOS管、N1、N2、P1组成带隙基准源电路的启动电路部分，当电路稳定工作时，

推导可得：

其中IS1/IS2为两个双极性晶体管的饱和电流之比，就是传统带隙基准电压源输出的电压表达式。

通过调节R3改变R2和R3之间的比值，来调整基准输出电压的范围。由于基准电压源电路中所有的电阻值都是成比例配置的，并都采用同一工艺条件下实现，电阻比值对温度的变化不敏感，所以可以基本忽略电阻的温度系数给电路稳定性所带来的影响。

本文采用电流反馈原理设计了如图2所示的差分放大器，P4 管由差分放大器

的输出直接驱动，并通过 N4 管来产生差分放大器所需的电流源偏置电压，以保证差分放大器具有较高的电源抑制比。电流镜负载管 P6 和 P7、差分对管 N5 和 N6 的宽长比（W/L=25/4）比较大，以抑制电路的热噪声。器件参数如表 1 所示。

表1 改进型低压输出带隙基准电压源器件参数

由于带隙基准源电路存在两个平衡点，一个是零点，一个是正常工作点。当基准源工作在零点时，电路中节点X1和X2的电压等于零，等于没有电流产生。设置启动电路的目的是为了避免电路工作在零点上，本文设计了如图2左边所示的启动电路，当电路通上电后，通过电容C1的充放电及N2管的导通，快速提高节点X1和X2的电压，产生所需的基准电流。节点X1的电压通过P1和N1组成的反相器，使 N2管完全截止，节点X1、X2的电压回落在稳定的工作点上，使得基准源开始正常工作。

2 改进型带隙基准电压源的仿真与分析

通过对所设计的电路的电源电压分析，仿真电源电压范围为2.5～4.5V，温度在室温27℃时，仿真结果如图 3所示。

在温度t为-50-150℃时，VREF随温度变化的仿真结果如图4所示。

由图3可以看出，电源电压为2.5～4.5V时，输出电压VREF为799.91～801.30mv，实现了更低电压稳定输出，达到设计的目的。由图 4 可得到电路的温度稳定性比较好，满足较大温度范围的工作需求，基本符合工业环境条件。

图3 电源电压直流扫描输出仿真图

图4 温度扫描输出图

3 结束语

对放大器进行改进，保证放大器电路的稳定性，在实现放大器的电路设计之后，在传统带隙基准电压源电路的基础上进行改进，利用仿真软件对带隙基准源电路进行仿真,设计出具有较简单的电路结构，可以输出较低的基准电压。电路输出基准电压结果为 700mV 左右。当电源电压一定(为 1.5V)时，随着温度从-30℃变化到 80℃，其输出的基准电压在 600mV 到 700mV之间，在如此大的温度范围内保证了带隙基准电压源的电压输出，基本能够满足复杂苛刻的工业生产环境的需求。

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[3]吴建辉著.CMO模拟集成电路分析与设计[M].北京:电子工业出版社,2011:237-239.

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Design of Improved Band Gap Voltage Reference

Nie Suli
（Xiamen Nanyang College，Xiamen Fujian,361000）

The traditional bandgap reference source structure can output more accurate voltage, but its power supply voltage is higher, at lower power supply voltage to get a lower voltage reference voltage, it must be improved and improved the reference source structure. In this paper, an improved bandgap voltage reference design is proposed, which can output a lower reference voltage, which can meet the needs of complex and harsh industrial production environment.

bandgap reference；zero temperature coefficient；low voltage

聂素丽（1981—），女，研究生，讲师，研究方向电子信息。