第8章-带隙基准

264第8章带隙电压基准.....................................................................................................2658.1带隙电压基准的性能参数.............................................................................2658.1.1温漂系数.....................................................................................................2658.1.2输出噪声.....................................................................................................2658.1.3功耗.............................................................................................................2658.1.4电源抑制比（PowerSupplyRejectRatio,PSRR）.................................2658.2带隙电压基准的基本原理.............................................................................2668.2.1负温度系数电压.........................................................................................2668.2.2正温度系数电压.........................................................................................2678.2.3实现零温度系数的基准电压....................................................................2678.3常用带隙电压基准结构.................................................................................2678.3.1利用PTAT电流产生基准电压.................................................................2688.3.2在运放的输出端产生基准电压................................................................2728.3.3两种结构的性能比较.................................................................................2768.4带隙电压基准的设计.....................................................................................2768.4.1寻找合适的双极晶体管比例....................................................................2788.4.2寻找合适的电阻比例.................................................................................2808.4.3设置“AnalogEnvironment”窗口...............................................................2808.4.4仿真结果分析.............................................................................................2828.4.5使用“Parametric“分析，寻找合适的R2、R1电阻比值..........................2838.4.6利用“Calculator”分析仿真结果。............................................................2878.4.7利用“Optimizer”进一步优化带隙基准电压源的温度特性....................2948.4.8验证8.3.1中关于闭环增益的推论..........................................................2998.4.9带隙基准电压源的噪声分析....................................................................3048.4.10小结.............................................................................................................3168.5超低温漂带隙电压基准.................................................................................3168.5.1设计目标.....................................................................................................3168.5.2温度漂移的详细分析[3-5]...........................................................................3178.5.3设计过程.....................................................................................................3198.5.4小结.............................................................................................................350参考文献......................................................................................................................352265第8章带隙电压基准电压基准是模拟电路设计中不可或缺的一个单元模块。它为系统提供直流参考电压，对电路性能，例如运算放大器的电压增益和噪声都有着显著的影响。在本章中，主要讨论在CMOS技术中电压基准的产生，着重于通用的“带隙”技术。首先，将研究带隙电压基准的基本原理，并介绍常用的带隙电压基准电路结构，以及衡量带隙电压基准性能的方法，接着将针对其中的一种结构介绍带隙电压基准的设计流程，随后将分析带隙电压基准输出噪声和仿真方法，最后将介绍一种低温漂带隙电压基准的结构和设计流程。8.1带隙电压基准的性能参数8.1.1温漂系数温漂系数是衡量带隙基准电压源输出电压随温度变化的一个性能参数。其单位为ppm/℃。表示当温度变化1摄氏度时，输出电压变化的百万分比。其计算公式为：[（基准电压最大值-基准电压最小值）/（基准电压的平均值×温度范围）]×1000000符号表达式为：()maxminmeanmaxmin1000000(ppm/C)VVTVTT−=×°−　　(8-1)8.1.2输出噪声输出噪声是衡量带隙基准电压源输出端噪声大小的一个性能参数。该参数对噪声敏感系统十分重要，例如：模拟-数字转换器（Analog-DigitalConverter，ADC）、低噪声放大器（LowNoiseAmplifier，LNA）等。其计算方法为：测量带隙基准的输出端的噪声谱密度，在关心的频率范围内对噪声谱进行积分，然后对积分值进行开方，从而获得带隙基准输出端在关心的频率范围内的噪声大小。8.1.3功耗功耗是衡量电路在正常工作情况下消耗电流多少的一个参数。为了获得更小的噪声以及更快的响应速度，都需要增加功耗。然而芯片由于应用的要求，以及散热条件的制约，其功耗是受到制约的。因此每个单元电路都会有相应的功耗要求。8.1.4电源抑制比（PowerSupplyRejectRatio,PSRR）电源抑制比是衡量电路对电源线上噪声的抑制能力的参数。对于带隙电压基准，在本章中定义电源抑制比为：电源电压变化引起的输出的增益。()OUTDDPSRRdB20vv=ΔΔ(8-2)2668.2带隙电压基准的基本原理带隙电压基准的基本原理是将两个拥有相反温度系数（TemperatureCoefficient）的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。例如，电压V+拥有正温度系数，电压V-拥有负温度系数，存在合适的权重α和β，使得满足：0VVTTαβ+−∂∂⋅+⋅=∂∂(8-3)这样就得到具有零温度系数的基准电压，其原理如图8-1所示。式（8-4）为基准电压的基本表达式。REFVVVαβ+−=⋅+⋅(8-4)图8-1带隙电压基准的一般原理由于双极型晶体管（BJT）有以下两个特性：1)双极型晶体管的基极-发射极电压（VBE）电压与绝对温度成反比；2)在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射级电压的差值（ΔVBE）与绝对温度成正比。因此，双极晶体管可构成带隙电压基准的核心。8.2.1负温度系数电压对于一个双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）的关系为：()CSBETexpIIVV=(8-5)其中，IS是双极型晶体管的饱和电流；VT=kT/q，k为波尔兹曼常数，q为电子电荷。进一步利用饱和电流IS的计算公式，可以得到VBE电压的温度系数为[1]：()BETgBE4/VmVEqVTT−+−∂=∂(8-6)其中，m≈-1.5，Eg=1.12eV是硅的带隙能量。当VBE≈750mV，T=300K时，∂VBE/∂T≈-1.5mV/℃。从式（8-6）可见，VBE电压的温度系数本身与温度有关，因此如果正温度系数是一个固定值，与温度无关，那么在带隙电压基准中的温度补偿就会出现误差。这也是在后文中，只能使得基准电压在一个温度点上获得零温度系数的原因。2678.2.2正温度系数电压如果两个同样的晶体管(IS1=IS2=IS，IS为双极晶体管饱和电流)偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值ΔVBE为：BEBE1BE200TS1S2TlnlnlnTVVVnIIVVIIVnΔ=−=−=(8-7)因此，VBE的差值就表现出正温度系数[1]：BEln0VknTq∂Δ=∂(8-8)从式(8-8)中可以看出，这个温度系数与温度本身以及集电极电流无关。8.2.3实现零温度系数的基准电压利用上面的正、负温度系数的电压，可以设计一个零温度系数的基准电压，有以下关系：()REFBETlnVVVnαβ=⋅+⋅(8-9)因为∂VBE/∂T≈-1.5mV/℃，∂VT/∂T≈0.087mV/℃，因此令α=1，只要满足式（8-10），便可得到零温度系数的VRE