摘要：在傳統Brokaw帶隙基準源的基礎上，提出一種採用自偏置結構和共源共柵電流鏡的低成本多路基準電壓輸出的CMOS帶隙基準源結構，省去了一個放大器，並減小了所需的電阻阻值，大大降低了成本，減小了功耗和噪聲。該設計基於華虹1μm的CMOS工藝，進行了設計與仿真實現。Cadence仿真結果表明，在-40～140℃的溫度範圍內，溫度係數為23．6 ppm／℃，靜態電流為24μA，並且能夠產生精確的3 V．2 V，1 V和0．1 5 V基準電壓，啟動速度快，能夠滿足大多數開關電源的設計需求與應用。
關鍵詞：帶隙基準源；多路基準電壓輸出；溫度係數；Cadence
0 引言
帶隙基準電壓源通常是模擬和混合信號處理系統中重要的組成模塊，它用來提供高穩定的參考電壓，對系統的性能起著至關重要的作用。帶隙基準廣泛地應用於ADC，DAC、線性穩壓器、開關電源、溫度傳感器和網絡通信等各種電路中。衡量帶隙基準源性能的重要指標有低溫度係數、低線性調整率、低電源電壓、低成本、低功耗和高電源抑制比。
文獻採用的是襯底PNP的CMOS工藝帶隙結構，並且提出一種採用一階溫度補償和電阻二次分壓設計的帶隙基準，在10～60℃範圍內，溫度係數為25×10-6℃-1；文獻使用了二階曲率補償技術，增加了2個電阻，獲得了好的溫度係數，但是增加的電阻會引入更多的輸出噪聲；文獻提出了一種指數曲率補償技術，將溫度係數減小至8．9×10-6℃-1，但是這種結構比較複雜且不易實現；文獻提出了一種分段線性補償技術，將溫度係數減小到了2×10-6℃-1，但是增加了多個電阻和放大器，增加了設計的複雜度和功耗。
本文在對傳統的Brokaw帶隙基準源進行分析和總結的基礎上，針對AC／DC開關電源晶片的應用需求，設計了一款應用於開關電源的低成本、多輸出的CMOS帶隙基準源。
1 帶隙基準電壓源的基本原理
帶隙基準源的基本原理是根據矽材料的帶隙電壓與溫度無關的特性，利用△VBE的正溫度係數與雙極電晶體VBE的負溫度係數相互抵消，實現低溫漂、高精度的基準電壓：
Vref=VBE+α△VBE=VBE+αVTlnN
式中：N為兩個電晶體發射極的面積比；α為常數；VT=kT／q為熱電壓，k是波爾茲曼常數，q是單位電荷量，T為絕對溫度。令K=αln，則：
Vref=VBE+KVT (1)
傳統的Brokaw帶隙電壓基準電路如圖1所示。
在圖1中，根據運放「虛短」的原理，有VA=VB，由於R3=R4，可得I1=I2，則I0=一2I1。
△VBE=VBE2-VBE1=VTlnN=I1R1 (2)
式中N為Q1與Q2發射極面積之比。
令K=(2R0ln N)／R1，則可發現式(3)與式(1)相等。如果N值一定，則可通過選取適當的R0與R1的比值，獲得合適的K值，就可使溫度係數為零，從而得到不隨溫度變化的基準電壓。
由於傳統的Brokaw帶隙基準使用了放大器，電路結構較複雜，且R0的值較大，會產生更多的輸出噪聲，同時電阻R3和R4也會增加版圖的設計難度。
2 低成本多路輸出帶隙基準源結構
本文所設計的帶隙基準源框圖如圖2所示，其核心電路是在傳統的Brokaw帶隙基準結構基礎上，綜合考慮了電路性能和針對開關電源的應用需求，用簡單的電路形式實現。多路輸出基準電壓電路採用帶負反饋的運放實現，通過電阻串分壓得到多路輸出。
2．1 帶隙基準電壓源的核心電路
本文所設計的Brokaw帶隙基準電壓源核心電路如圖3虛線右側所示，是在傳統的Brokaw帶隙基準源的基礎上採用自偏置結構和共源共柵電流鏡，這種改進可以精確地保證I2=2I1，同時可以使電阻R0的值比傳統結構中的更小(本文中R0的值為傳統結構的2／3)，小的R0值能夠減小輸出電壓的噪聲。而且這種結構省去了放大器，並且直接在產生PTAT電流的支路上生成帶隙基準電壓，這樣不僅可使電路結構簡化，降低成本，而且減小了所需的靜態功耗。由於使用共源共柵電流鏡代替了兩個電阻，使得版圖易於實現。
在圖3中，可看到：
VBE2=VBE1+I1R1 (4)
VBE=VTln(I／Is) (5)
式中：I為流過電晶體的電流；Is為電晶體的飽和電流。
由於M3的寬長比為M1的2倍，因此I2=2I1，而I0=3I1；又由於Is正比於電晶體發射極面積，而Q1與Q2發射極面積之比為4：1，則Is1=4Is2，因此：
式(9)中的第一項VBE2具有負溫度係數，而第二項具有正溫度係數，只要選擇合適的工作點，就可使兩項之和在某一溫度下為零，從而得到具有較好溫度特性的基準電壓。