帯隙基準電路設(shè)計
（東南大學(xué)集成電路學(xué)院）
一. 基準電壓源概述
基準電壓源(Reference Voltage)是指在模擬電路或混合信號電路中用作電壓基準的具有相對較高精度和穩(wěn)定度的參考電壓源，它是模擬和數(shù)字電路中的核心模塊之一，在DC/DC，ADC，DAC以及DRAM等集成電路設(shè)計中有廣泛的應(yīng)用。它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪性能影響著整個電路系統(tǒng)的精度和性能。模擬電路使用基準源，是為了得到與電源無關(guān)的偏置，或是為了得到與溫度無關(guān)的偏置，其性能好壞直接影響電路的性能穩(wěn)定。在CMOS技術(shù)中基準產(chǎn)生的設(shè)計，著重于公認的“帯隙”技術(shù)，它可以實現(xiàn)高電源抑制比和低溫度系數(shù)，因此成為目前各種基準電壓源電路中性能佳、應(yīng)用廣泛的電路。
基于CMOS的帯隙基準電路的設(shè)計可以有多種電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。常用的包括Banba和Leung結(jié)構(gòu)帶薪基準電壓源電路。在綜合考慮各方面性能需求后，本文采用的是Banba結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，該結(jié)構(gòu)具有功耗低、溫度系數(shù)小、PSRR高的特點，后使用Candence軟件進行仿真調(diào)試。
二. 帯隙基準電路原理與結(jié)構(gòu)
1. 工作原理
帶隙基準電壓源的設(shè)計原理是根據(jù)硅材料的帶隙電壓與電源電壓和溫度無關(guān)的特性，通過將兩個具有相反溫度系數(shù)的電壓進行線性組合來得到零溫度系數(shù)的電壓。用數(shù)學(xué)方法表示可以為：，且。
1) .負溫度系數(shù)的實現(xiàn)
根據(jù)雙極性晶體管的器件特性可知，雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓具有負溫度系數(shù)。推導(dǎo)如下：
對于一個雙極性器件，其集電極電流，其中，約為0.026V，為飽和電流。根據(jù)集電極電流公式，得到：
(2.1)
為了簡化分析，假設(shè)保持不變，這樣：
(2.2)
根據(jù)半導(dǎo)體物理知識可知：
(2.3)
其中b為比例系數(shù)，m≈?3/2，Eg為硅的帶隙能量，約為1.12eV。得到：
(2.4)
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