模拟集成电路设计前景精选(九篇)

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第1篇：模拟集成电路设计前景范文

关键词：带隙基准；PSRR；温度系数；反馈

中图分类号：TN710 文献标识码：B 文章编号：1004-373X(2008)02-061-04

Design of a High Precision CMOS Bandgap Voltage Reference Circuit with Current Feedback

LI Jingwen,LIU Jun,JIANG Guoping

(Dalian University of Technology,Dalian,116023,China)オ

Abstract：This paper describes the design of a high precision bandgap reference,implemented in 0.5 μm n-well CMOS technology.The circuit generates a reference voltage of 1.245 V and has a temperature coefficient of 12.5 ppm/℃ between 0 and 70 ℃.It can operate with supply voltages between 2.8 V and 8 V.It has a PSRR of 107 dB under low frequency.This circuit works in a current feedback mode,and it generates its own reference current,resulting in a stable operation.The architecture designed in this circuit can efficiently reduce the offset voltage of operation amplifier.

Keywords：bandgap reference;PSRR;temperature coefficient;feedbackオ

1 引 言

无论在数字电路或模拟电路中，基准电压源对电路整体性能的影响都是十分重要的。基准源的设计应该使其不受电源电压和温度影响，产生一个恒定的电压值。例如，在许多模拟电路中都需要一个精确的偏置电压；在ADC中需要一个精确的基准源量化输入，而在DAC中，输出精度主要由电压基准源控制。

通过对传统的带隙基准电压源的优化改进，设计一种电流反馈型带隙基准源，具有低温度系数(TC)，较高电源抑制比(PSRR)，并能有效减小运放失调电压对电路性能的影响。以下将介绍带隙基准电路的基本原理和电路的各个模块，最后给出整体电路的仿真结果。

2 基准电路的原理

基准电压的产生是由具有负温度系数的电压加上1个正温度系数的电压，调整2者的比例系数，得到一个具有零温度系数的基准电压。室温下，二极管PN结产生的电压VBE具有-2.2 mV/℃的温度系数［1］，可以利用与绝对温度成正比(PTAT)的电压Vt=kT/q，乘上比例系数K，与VBE相加得到:

3 高性能带隙基准源的设计

带隙基准源的组成模块如图4所示，其中包括：带隙基准的核心电路(PTAT与VREF模块)，高性能折叠式共源共栅运算放大器(Opamp)，电流补偿电路(current compensation)和启动电路(start up)。整体电路如图5所示。

3.2 运算放大器的设计

运算放大器的作用是通过电流负反馈结构使与2个输入端连接的节点的电压强制相等，并且与电源电压无关。运算放大器的输出对电流源进行适当的偏置［3］，使其流过的电流与输入电压无关，从而使R1上的电流为PTAT电流。

运放的增益越高，与运放的输入端连接的2个节点的电压就会越精确相等。运放的共模输入范围由PNP管的基极-发射极的电压决定。基准源正常工作时，共模电压等于2VBE，其值约为1.4 V。

为了满足高增益和共模输入范围的要求，选择了一种PMOS管差分输入的折叠式共源共栅结构的运放，如图7所示。该运放采用自偏置共源共栅电流镜作为负载，具有极高的增益和小信号输出电阻。其另一个优点是PSRR高于标准的两极运放。运算放大器的设计还应该充分考虑稳定性，相位裕度至少要大于45°，一般设定在60°左右［2,3］。

3.3 电流补偿模块的设计

电流补偿模块的作用是补偿PTAT模块中的Q1和Q2的基极电流Ib，使流过Q1a和Q2a的电流与Q1，Q2的电流精确相等。电路如图8所示。И

3.4 启动模块的设计

带隙基准源电路可以工作在2种状态下，即运放的差分输入端电压都为0，也是一种稳定的工作状态。所以需要一种启动电路来引导运算放大器工作在所希望的工作点上，并为电流源提供适当的偏置。

启动模块如图9所示。其工作原理简述如下：芯片开始上电时，VREF的电压为0，经过推挽式放大器后输出1个高电位足以使连接在其输出端的NMOS管M37导通。M37的源级接一个二极管连接的NMOS管M38，M38始终处于导通状态，从而使共源共栅电流镜开始工作，这时有电流通过PATA模块，节点X和Y的电压上升，运算放大器开始比较X和Y点的电压差值，输出一个反馈信号来控制共源共栅电流镜的输出电流，使节点X和Y的电压相等。VREF输出1.245 V，从而使推挽式放大器输出低电位，M37关断，电路启动结束，进入正常工作状态。

4 仿真结果

对上述高性能CMOS带隙基准源采用CSMC 0.5 μm BSIM3V3工艺模型，使用Cadence Spectre仿真器进行电路仿真。在tt-model下，得到电路的工作电压范围为2.8~8 V，输出基准电压为1.245 V。在0~70 ℃范围内，基准电压的温度系数为12.5 ppm/℃，低频下电源抑制高达107 dB，仿真结果如图10~15所示。当电源电压高于2.8 V后，电路即可正常工作，如图10所示。

在温度为27 ℃的条件下，带隙基准源基本不受电源电压变化的影响。电源电压在3~8 V之间，VREF变化小于0.12 mV。如图11所示。

基准电压受温度的影响很小，在0~70 ℃内，温度系数为12.5 ppm/℃，如图12所示。图13给出了不同工艺条件下基准电压的温度特性。

图15给出了电路启动的瞬时仿真。在室温条件下(27 ℃)电源电压在10 μs的时候上升到5 V，输出基准电压VREF启动时间小于10 μs，稳定在1.245 V。

5 结 语

设计了一种高精度的电流反馈型带隙基准电压源，该基准源已经成功用于LED驱动芯片内部。电路正常工作时，能够建立稳定的偏置工作点，不需要其他的电流源提供偏置。基准源的输出电压为1.245 V，工作电压范围为2.8~8 V。在0~70 ℃内，温度系数为12.5 ppm/℃，低频下电源抑制比(PSRR)高达107 dB，并且能够有效减小运放失调电压的影响。此电路可以广泛的应用于各种模拟集成电路和数字集成电路内部，具有很好的应用前景。

参 考 文 献

［1］Behzad Razavi,Design of Analog CMOS Integrated Circuits ［M］.西安:西安交通大学出版社,2003.

［2］Phillip E Allen,Douglas R Holberg.CMOS模拟集成电路设计［M］.2版.北京:电子工业出版社,2005.