电压基准源的设计与仿真

浅析电压基准源的设计与仿真

[摘要]基准电压源广泛应用于电源调节器、a／d和d／a转换器、数据采集系统，以及各种测量设备中。近年来，随着微电子技术的迅速发展，低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。比如，在一些使用电池的系统中，要求电源电压在3 v以下。因此，作为电源调节器、a／d和d／a转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源，必然要求在低电源电压下工作。

[关键词]基准电压源 a／d 转换器

基准电压源广泛应用于电源调节器、a／d和d／a转换器、数据采集系统，以及各种测量设备中。近年来，随着微电子技术的迅速发展，低压低功耗已成为当今电路设计的重要标准之一。比如，在一些使用电池的系统中，要求电源电压在3 v以下。因此，作为电源调节器、a／d和d／a转换器等电路核心功能模块之一的电压基准源，必然要求在低电源电压下工作。

用于高速高精度adc的片内电压基准源不仅要满足adc精度和采样速率的要求，并应具有较低的温度系数和较高的电源抑制比，此外，随着低功耗和便携的要求，adc也在朝着低压方向发展，相应的基准源也要满足低电源电压的要求。

一、电压基准源影响的建模分析

在pipelined adc系统中，基准源的主要作用是为子adc提供比较电平，同时为mdac提供残差电压。差分基准电压源发生偏移会导致子adc比较电平和mdac残差电压发生变化。而通过引入冗余

位矫正技术可大大减小差分基准电压源所引起的比较电平变化对

系统指标造成的影响，但是，mdac残差电压变化的影响却无法消除，系统的转移特性曲线仍将会发生变化，从而造成系统指标下降。其中基准电压源的偏移主要来源于温度和电源电压的影响。

下面分析基准电压源温度漂移特性对dnl的影响。一般情况下，实际相邻输出与理想相邻输出之间的偏差可以表示为：对于首级精度为3.5位的12位adc，在-40℃～85℃的温度范围内，对温度要求最严格的比较器一般要求基准电压源的最大温漂不超过(7／

8)vdiff。根据下列两式可以得到dnl对基准电压源温度系数的要求，即温度系数tc≤6.84 ppm／℃。式中，vt0为室温25℃时的基准电压值。

二、分析电路设计及原理

1.传统带隙基准的分析。传统的带隙电压基准结构中，通过具有正温度系数的vt和一个具有负温度系数电压vbe的线性组合，在输出端得到一个对温度恒定的稳定输出vref。但是在实际应用中，补偿vref中得不到补偿的高阶电压分量是设计的关键。高阶温度系数主要来自于双极晶体管的温度特性。

经过整理得到：

根据上式可知在大部分工艺下，通过调节电路，一阶系数项可以很容易消除。但是由于工艺参数r的值和由电阻引入的系数δ不能很好的抵消，使得高阶电压分量仍然存在。即c2项不可能消除，导致温度系数不能达到足够低。

2.改进的高阶补偿带隙基准源。为了得到温度系数足够低的带隙基准源，高阶温度系数需要进一步补偿，在传统的电路基础上，加入补偿电路结构：由于运放a3的增益很大，运放强制q2和r4的端电压相等，则i4=vbe，q2／r4，电流镜使流过晶体管q3的电流：从而在q2，q3的vbe之间产生一个差值tln t项。这个差值项通过运放gm1，gm2被引入到ir1中来修正vbe,q1中的高阶项。输入端连接v1，v2和v2，v3的四输入运放，其输出端连接在一起，因此他们具有相同增益a1，各参数完全相同，即输出阻抗也相同：对于管子q1，q2，他们完全相同，所以他们的端电压只和他们集电极流过电流相关。令(常数b1，b2由电阻阻值，温度系数和管子vbe 电压控制；gm1，gm2是运放a1的输入端跨导，由输入对管子的宽长比和静态工作点决定)在实际设计中，通过调节gm1，gm2来调节降低高阶项，调节r4来消除一阶项。最后进行反复优化可以获得很好的温度系数。

3.整体电路分析。这里提出的电路结构，系统由四个模块组成：省功耗和偏置电路、运放、基准电压输出模块和高阶曲率补偿。基准核心结构和高阶曲率补偿电路部分的工作原理在前面分析的改

进带隙基准中有重点讲过。上图左边所示的功耗控制开关vc1，当vc1为低电平(0)时，m6导通，m4关闭，则m7栅极点电位为高，m7关闭，则m7支路电流为0，电流镜m10，m11镜像m7支路电流，导致差分放大器的尾电流为0，差分放大器没有工作，整个电路都没有工作，处于省功耗状态；当vcl为高电平(3.3 v)时，m6关闭，

m4导通，则m1到m6组成的偏置电路为m7栅极提供合适的偏置电压。cascode结构(m8，m9，m10，m11)的偏置是由电压自偏置来实现的。同时m10，m11复制m7支路电流，m12，m13电压自偏置，为尾电流源提供偏置电压。该偏置电路提供一级折叠式共源共栅运放电路中所用的所有偏置电压。在实际电路中，为了满足匹配，偏置电路中管子的长度应该与运放中相应的管子长度相等。

运算放大器是带隙电压基准源电路中的关键部分之一，其环路增益和电路的失调决定了基准源输出的精度和稳定性。为了增加电路的稳定性和降低电路的复杂度，在此尽量采用具有高增益的单级运放，而不采纳二级补偿运放。高增益的单级运放包括套筒式和折叠式运放两种，由于运放连接反馈回路，套筒式运放因输出摆幅太小而不使用，在此使用折叠式运放。

三、仿真结果

1.温度特性的仿真。采用0.5cmos工艺对电路的温度特性、启动特性和电压抑制比进行了仿真分析。根据温度特性仿真曲线，仿真扫描温度范围为-40℃—125℃。其温度变化幅度约为0.42mv，温度系数约为11ppm／℃。由于μn与μp的温度系数略有不同，使得最后的基准电压还是与温度有关。相比，实现了温度的二阶补偿。可以看到电压近似为负温度系数。因此利用它的这一性质在中实现了一阶温度补偿，可以用于产生线形特性的电压vbe。

2.启动电路的仿真。随着电源电压的身高，基准电压的输出在大约200us后达到稳定值。启动电路能正常上作。

3.电源抑制比的仿真。仿真激励为在室温下，在直流电源上叠加一个1v的交流信号。测量基准源输出的变化，可以看到在100hz 和10mhz时，电源抑制比分别为-58.6db和-40db。对比数据，得到了改善。原因是当电源电压波动时，管的衬底电位会跟随变化。该特性满足开关电源和ldo应用要求。

与其他许多高阶曲率补偿带隙电路相比，本文提出的这种带隙基准电压源，具有低电压低功耗和低温漂的优点，且与标准cmos工艺兼容，结构新颖，综合性能优异，完全符合设计要求。可以很好地应用于高精度比较器、a／d和d／a转换器等模拟集成电路中，该电压源采用0.35μm cmos工艺，spectre仿真表明，在-40～100℃时，其温度系数为2 ppm。这种带隙基准可用于14位pipeline adc 中，应用前景广泛。

参考文献：

[1]10位40msps模数转换器片内基准电压源设计.电子信息设计网，2008.4

[2]14位pipeline adc设计的带隙电压基准源技术.

[3]电压基准源的设计与仿真.电子工程世界.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以pdf格式阅读原文