贺志伟+姜岩峰
摘 要： 为了降低芯片电路功耗，电源电压需要不断的减小，这将导致电源噪声对基准电压产生严重影响。为此针对这一问题进行相关研究，采用SMIC 0.18 μm工艺，设计出一种低功耗、低温度系数的高PSR带隙基准电压源。仿真结果表明，该设计带隙基准源的PSR在50 kHz与100 kHz分别为-65.13 dB和-53.85 dB；在2～6 V电源电压下，工作电流为30 μA，温度系数为30.38 ppm/℃，电压调整率为71.47 μV/V。该带隙基准适用于在低功耗高PSR性能需求的LDOs电路中应用。
关键词： 带隙基准电压； 低功耗； 电源抑制； 电路设计
中图分类号： TN402?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0153?03
Design of CMOS bandgap voltage reference circuit with high PSR
HE Zhi?wei， JIANG Yan?feng
（Microelectronic Research Center， North China University of Technology， Beijing 100144， China）
Abstract： The power supply voltage needs to be constantly decreased to meet the requirement of reducing the low?power consumption of IC， but it may lead to the negative impact of power supply noise on the reference voltage. A low?power consumption bandgap voltage reference with high PSR （power supply rejection） and low?temperature coefficent was design based on in SMIC0.18μm process. The simulation results show that the PSR of the bandgap reference source is -65.13 dB at 50 kHz and -53.85 dB at 100 kHz respectively； at 2～6 V supply voltage， the supply current is 30 μA， the temperature coefficient is 30.38 ppm/℃， and the voltage regulation rate is 71.47 μV/V. The bandgap voltage reference is suitable for LDOs circuit which has the requirements of low?power consumption and high PSR.
Keywords： bandgap reference voltage； low?power consumption； power supply rejection； circuit design
0 引 言
在高科技快速发展的今天，人们的生活已经离不开电子产品，为了能满足人们对产品性能的需求，现在的IC行业面对着巨大的挑战。当今高性能模拟、数模混合、数字和电源管理系统都需要非常稳定的基准电压源[1]。例如广泛应用于电源管理芯片、A/D和D/A转换器芯片、数据采集芯片等中的带隙基准，其性能好坏直接影响整个系统的精度及稳定性[2]。
现在的电子产品中，几乎都反映出一个共同的缺点，电池电量不够大，而现代的电池容量大小在短时间内不会得到较大的改善，因此，人们就想法如何降低电子产品功耗。降低功耗必然需要降低器件工作电压。带隙基准是任何模拟集成电路的一个重要单元，工作电压的降低，信号噪声对带隙基准的精度将显得越发突出，因此，在越来越低的电源电压下，低功耗、低温度系数、高PSR的带隙基准变得越来越重要[3]，如何改善带隙基准的信号噪声成为了一个热门研究的话题。
本文针对带隙基准电路上述问题考虑，提出一种高PSR CMOS带隙基准电路，其基准PSR在50 kHz与100 kHz下分别能达到-65 dB，-53 dB，大大改善了信号噪声对带隙基准的影响。
1 高PSR CMOS带隙基准电路设计
1.1 带隙基准电路PSR分析
双极型晶体管基极-发射极的pn结电压与温度成负温度系数关系，通常情况下温度系数为-1.5 mV/℃；而两个工作在不同电流密度下双极型晶体管的基极-发射极电压之差[ΔVbe]与温度成正温度系数关系[4]，因此，可以搭建电路，实现将具有正负温度系数的电压通过适当的权衡代数和，得到一个随温度稳定的带隙基准电压。
传统的基于CMOS运放带隙基准电路如图1（a）所示，图1（b）是其等效PSR小信号分析模型电路。
对模型电路进行小信号PSR分析，可以得到：
[vg=A（β2vb-β1vref）+Addvdd] （1）
[gm1，2（vdd-vg）rQ1=β1vref] （2）
[gm1，2（vdd-vg）（rQ2+R1）=β2vb] （3）
[β1=rQ1rQ1+R3] （4）
[β2=rQ2+R1rQ2+R1+R2] （5）
式中：[rQ1]与[rQ2]分别是双极型晶体管Q1和Q2的小信号等效电阻；[A=vgvdiff]与[Add=vgvdd]分别是运放的增益及运放的PSR，[gm1，2]是[M1，2]的跨导，由式（1）～（5）可以推出：
[vrefvdd=gm1，2（rQ1+R3）1-Add1+gm1，2（rQ2+R1）A-gm1，2rQ1A≈rQ1+R3R11-AddA] （6）
图1 传统带隙基准电路及传统带隙基准PSR小信号分析模型
从式（6）可以得知带隙基准的PSR主要依靠运放的增益和运放的PSR。通过增加运放的增益，可以提高带隙基准的PSR，可是这样会导致电路的稳定性问题，并且运放增益随频率的升高会慢慢降低，如果只是通过增大运放增益来提高带隙基准的PSR的话，还需要增大运放的单位增益带宽；从式（6）中还会发现，如果[Add=1]（即运放的PSR等于1）时，式（6）中第二乘积项是零，则带隙基准也将会有很高的PSR。也就是说，如果使[vg]能够随着[vdd]等幅值同相变化，那么M1 与M2栅源电压值就是一个固定常数，再通过设计减小两个镜像管子的沟道长度调制效应，它们的漏电流将不会随电源电压变化，则带隙基准就可以有很高的PSR。
1.2 高PSR带隙基准电路实现
本文提出的具有低功耗、低温度系数及高PSR实现电路如图2所示。
图2 高PSR带隙基准实现电路
1.2.1 温度补偿
带隙核包括Q1，Q2，M1，M2，[R1，][R2]和[R3。]Q1与Q2都是寄生纵向PNP，Q2发射极的面积是Q1发射极面积的8倍（N=8）；[R2]与[R3]的阻值相等；M1与M2形成镜像电流源。M3，M9，[Rc]及[Cc]组成一个二级运放电路，偏置电流直接有带隙核镜像得到。两级运放电路的高增益可以满足输入两端点电压相等（即[Va=Vb]），M1与 M2使得流过Q1和Q2发射极电流相等，于是就产生了PTAT电流，其表达式为：
[IR1=vbe1-vbe2R1=vTln8R1] （7）
其中[vT=KTq，]则可以得出带隙基准电压[5]表达式为：
[Vref=Vbe1+IR1R3=Vbe1+R3R1vTln8] （8）
这个基准电压等于硅能隙电压[3]1.2 V。
对[Vref]进行一阶温度求导，并令求导后的式子等于零，可以得到方程有：
[?Vref?T=?Vbe1?TT=Tr+R3R1ln8?vT?TT=Tr=0] （9）
从式（9）可以得知，通过选择合适电阻[R1，][R2]和[R3]的比值，就可以对温度系数进行补偿，从而得到与温度无关的基准电压；在本设计中，[R1～R3]使用的都是HPolyR，由于电阻的比值与温度的关系是相互独立的，只要在版图上保证它们的设计尺寸相互匹配，则负温度系数的HPolyR对带隙基准电压的温度系数将不会产生任何影响。
1.2.2 PSR性能的实现
PSR性能的提高主要是通过提高PSR电路模块实现，提高 PSR电路由M10和 M11组成[6]。此电路不仅增加了环路增益，还可以有效地将电源电压上的噪声反馈到PTAT环路，从而保证了M1与 M2的栅源电压基本恒定，使其不会随电源电压上的噪声而放生大的改变，进而实现提高带隙基准PSR的目的。POMS差分输入的两级运放电路能够表现出很好的PSR性能[3]，因此[Vg]电压点处的PSR性能好坏，主要取决于二极管接法的提高PSR电路模块。分析可知，二极管连接的M11有非常低的阻抗约为[1gm11，]这里[gm11]是M11 的跨导。因此，在[Vg]电压点处的PSR可以用公式表示为：[Add=vgvdd=rds101gm11+rds10≈1=0 dB] （10）
式（10）说明了电源电压的信号噪声通过M10和M11组成的电路，几乎没有衰减地完全反馈给了[vg，][vg]随电源电压噪声发生同相变化，因此M1和 M2的栅源电压几乎不会随着电源噪声发生改变，从而实现了提高带隙基准PSR性能。
1.2.3 频率补偿
本设计电路中的运算放大器有正负反馈环路，需要频率补偿确保电路能稳定工作。由于提高PSR电路模块等效输出电阻低，[Vg]电压点处的极点频率相对来说很高，会远远大于环路单位增益频率，因此，影响整个电路稳定性的主极点在运放的第一级输出端口处，[Cc]是补偿电容，通过调节[Rc]的大小，可以实现将RHP中的零点移动到LHP中理想处，从而提高相位裕度[4]，使整个电路能够稳定的工作。相对于传统的带隙基准电路来说，本设计电路通过增加提高PSR电路级，相对提高了增益，因此，需要较小的密勒补偿电容[Cc，]就可以保证电路稳定工作的需求。密勒补偿电容[Cc]的减小，也会提高电路瞬态响应速度及减小电路启动的建立时间。仿真结果，环路增益是84 dB，GBW和相位裕度分别是5.62 MHz，69°。
1.2.4 启动电路
正常情况下，Bandgap电路有两个稳定状态，在上电之后，如果没有启动电路的话，电路有可能不能进入正常工作状态，为了使电路能够工作在正常状态，需要添加启动电路。本设计提出的启动电路，具有零功耗特性。在电源上电过程中，M14工作，电流开始对电容[C3]充电，M15通过镜像对M13的栅极充电，此时，M12关断，M13的栅极电压就会慢慢增大，最终，M13开启下拉[Vg]点处电压，于是电流就会注入带隙核电路保证带隙成功开启。电路开启后，M12打开，将M13栅极电压拉低，关闭M13；当[C3]被冲到低于电源电压一个阈值电压时，M14和 M15就会关闭，因此，在电路开启之后，启动电路的功耗为零。同时，考虑到为了保证下次电路正常开启，当电源掉电时，M16可以将[C3]上的电量全部放掉。
2 实验结果
2.1 输出特性
带隙基准的输出特性如图3所示。
图3 带隙基准的输出特性
在室温下，电源电压为2 V时，输出电压建立，整个电路进入正常工作状态，在电源电压到达6 V时，电路还能提供基准电压；电源电压在2～6 V之间，基准电压变化量[ΔVref]为285.2 μV，其线形调整率为71.47 μV/V。
2.2 温度特性
带隙基准与温度的关系如图4所示。
图4 带隙基准与温度关系
在不同电源电压下，-40～120 ℃温度范围内，输出电压的变化量小于2.59 mV。在2 V，3 V，4 V，5 V，6 V电源电压条件下，带隙温度系数分别为30.38 ppm/℃，30.40 ppm/℃，30.35 ppm/℃，30.50 ppm/℃和30.97 ppm/℃，不同电源电压下，最大与最小温度系数相差0.62 ppm/℃，因此，本带隙基准适用于在温度变化较大环境工作的芯片电路中。
2.3 PSR特性
带隙基准的PSR仿真结果如图5所示。
从仿真结果可以看出，在频率为100 kHz时，PSR为-53.85 dB；在频率为50 kHz时，PSR为-65.13 dB。因此，与传统带隙基准电路比较，本设计带隙基准电路的PSR减小了-30～-40 dB，明显提高了PSR性能。
图5 带隙基准PSR仿真
3 结 论
本文提出了一种低功耗、低温度系数、高PSR带隙基准电路。仿真结果表明，在2 V电源电压下，工作电流为30 μA，工作在2～6 V电源电压下，温度系数不大于28.75 ppm/℃，电源线形调整率为71.47 μV/V，PSR为-53 dB@100 kHz，-65 dB@50 kHz。该带隙基准源适用于对低功耗高PSR性能需求的 LDOs应用中。
参考文献
[1] 郑儒富，张波，俞永康，等.一种1.8 ppm/°C曲率BiCOMS带隙基准源[J].微电子学，2006，36（6）：778?781.
[2] 赵晶晶，姜岩峰.基于简单电阻网络的高精度基准电压源设计[J].微电子学，2012，42（5）：664?667.
[3] THAM K， NAGARAJ K. A low supply voltage high PSRR vol?tage reference in CMOS process [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1995， 30： 586?590.
[4] GRAY P R， HURST P L， LEWIS S H， et al. Analysis and design of analog integrated circuits [M]. 4th ed. New York： John Wiley & Sons， 2001.
[5] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.
[6] HOON S K， CHEN L， MALOBERTI F. An improved bandgap reference with high power supply rejection [C]// Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems. Scottsdale： IEEE， 2002， 5： 833?837.
2.2 温度特性
带隙基准与温度的关系如图4所示。
图4 带隙基准与温度关系
在不同电源电压下，-40～120 ℃温度范围内，输出电压的变化量小于2.59 mV。在2 V，3 V，4 V，5 V，6 V电源电压条件下，带隙温度系数分别为30.38 ppm/℃，30.40 ppm/℃，30.35 ppm/℃，30.50 ppm/℃和30.97 ppm/℃，不同电源电压下，最大与最小温度系数相差0.62 ppm/℃，因此，本带隙基准适用于在温度变化较大环境工作的芯片电路中。
2.3 PSR特性
带隙基准的PSR仿真结果如图5所示。
从仿真结果可以看出，在频率为100 kHz时，PSR为-53.85 dB；在频率为50 kHz时，PSR为-65.13 dB。因此，与传统带隙基准电路比较，本设计带隙基准电路的PSR减小了-30～-40 dB，明显提高了PSR性能。
图5 带隙基准PSR仿真
3 结 论
本文提出了一种低功耗、低温度系数、高PSR带隙基准电路。仿真结果表明，在2 V电源电压下，工作电流为30 μA，工作在2～6 V电源电压下，温度系数不大于28.75 ppm/℃，电源线形调整率为71.47 μV/V，PSR为-53 dB@100 kHz，-65 dB@50 kHz。该带隙基准源适用于对低功耗高PSR性能需求的 LDOs应用中。
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2.2 温度特性
带隙基准与温度的关系如图4所示。
图4 带隙基准与温度关系
在不同电源电压下，-40～120 ℃温度范围内，输出电压的变化量小于2.59 mV。在2 V，3 V，4 V，5 V，6 V电源电压条件下，带隙温度系数分别为30.38 ppm/℃，30.40 ppm/℃，30.35 ppm/℃，30.50 ppm/℃和30.97 ppm/℃，不同电源电压下，最大与最小温度系数相差0.62 ppm/℃，因此，本带隙基准适用于在温度变化较大环境工作的芯片电路中。
2.3 PSR特性
带隙基准的PSR仿真结果如图5所示。
从仿真结果可以看出，在频率为100 kHz时，PSR为-53.85 dB；在频率为50 kHz时，PSR为-65.13 dB。因此，与传统带隙基准电路比较，本设计带隙基准电路的PSR减小了-30～-40 dB，明显提高了PSR性能。
图5 带隙基准PSR仿真
3 结 论
本文提出了一种低功耗、低温度系数、高PSR带隙基准电路。仿真结果表明，在2 V电源电压下，工作电流为30 μA，工作在2～6 V电源电压下，温度系数不大于28.75 ppm/℃，电源线形调整率为71.47 μV/V，PSR为-53 dB@100 kHz，-65 dB@50 kHz。该带隙基准源适用于对低功耗高PSR性能需求的 LDOs应用中。
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