带有自偏置功能的高性能带隙基准源电路

赵嘉斌

【摘 要】本文采用HLMC 55LP工艺，设计了一个输入范围1.6V-3.3V，输出范围为1.2V±2%的BGR（带隙基准源）。本文首先介绍BGR的工作原理，同时着重介绍本设计中所使用的新的设计方法及其优势。本次设计经过前后仿验证，得到高的输出精度。

【关键词】BGR（带隙基准源）；环路补偿；自偏置；Trimming（修调）

1 介绍

模拟电路中广泛地包含电压基准（reference voltage）和电流基准（current reference）。在数/模转换器、模/数转换器等电路中，基准电压的精度直接决定着这些电路的性能。这种基准应该与电源和工艺参数的关系很小，但是与温度的关系是确定的。在大多数应用中，所要求的温度关系通常分为与绝对温度成正比（PTAT）和与温度无关2种。而目前主流的基准源都是采用后者，即与温度无关。本设计就是设计一个不受温度影响的输出精度高的基准源。

2 基本原理

由于大多数工艺参数和温度有关，因此，和温度无关，即和工艺无关。利用PN结二极管的基极-发射结正向电压，具有负温度系数；而不同电流密度下的二个PN结二极管的基极-发射极正向电压之差，具有正温度系数；将两个具有正温度系数和负温度系数的量加权相加，则得到量显示零温度系数。输出电压公式为：

VREF=VBE+KVT（1）

3 负温度系数电压的产生

4 正温度系数电压的产生

两个三极管工作在不同的电流密度下，它们的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。如果两个同样的三极管（IS1=IS2），偏置的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略他们的基极电流，那么：

5 一阶温度补偿带隙基准源

将正、负温度系数的电压加权相加，就可以得到一个近似与温度无关的基准电压。常见的一阶可调基准源电路如图1所示。

式中：N为Q2与Q1的发射结面积之比，式（4）中第一项具有负的温度系数，第二项具有正、负温度系数，合理设计R0与R1的比值和N的值，就可以得到在某一温度下的零温度系数的一阶基准电压。式（5）中方括号内是约为1.25 V的一阶温度无关基准电压，通过调节R2/R0的比值，可以得到不同大小的基准电压。

6 电路结构及原理分析

本设计中使用了新的电路结构和新的设计方法，比如使用了新的启动电路结构，自偏置电路结构和源极负反馈补偿的方法。图2为本文设计的BGR基本电路图，包含A启动电路、B运放电路及反馈电路、C带隙核心电路。

其中图2 中由PM8，PM9，NM4组成了本设计的启动电路部分；由PM1，PM2，PM5，PM6，NM1，NM2，NM3组成了二级运放电路部分；由PM3，PM7，PM4，Q1，Q2，R1，R2，R3，R4组成带隙核心电路。同时通过PM1，PM2，PM3，PM7组成的镜像，运放的偏置电流由带隙基准主体电路提供，将之称为自偏置带隙基准电路。

7 启动电路

在电源上电的过程中，NM4逐渐开启，使PM9的栅电压为低电压。PM9开启，将VN拉至电源电压。NM3开启，产生偏置电流，使得运放和带隙基准主体开始工作。这是以自偏置的带隙基准为例。

整个带隙基准电路正常工作之后，PM8镜像PM2的电流，该电流在NM4上产生电压，当该电压大于电源电压减去PM9的阈值电压时，PM9关闭，启动电路不再对主体电路产生影响。

当带隙基准电路因为某种情况进入小电流工作的简并状态时，PM8镜像到的电流将减小，此时NM4上的电压下降，PM9开启，VN点电压上升，NM3开启，产生偏置电流使得运放和带隙基准主体开始工作。

从本设计中可以看到，当运放采用带隙基准主体电路提供偏置电流（自偏置）的时候，本项目的启动电路可以同时使得运放和带隙基准主体开始工作，可加快电路的启动过程。启动电路是否工作是通过镜像工作电流的方式，相比常用的启动电路方式（如检测三级管上的电压，通常是与MOS管阈值电压作比较）更加简单，更加可靠。

8 运放

本设计中使用的运放是简单的二级运放结构，但是同时使用了自偏置的的结构，如图2中B部分的电路。

当启动电路开启时，通过VN点使运放NM3 的栅极电压增大，使NM3开通，然后运放通过PM2形成的自偏置环路开始自启工作。这样设计省去了传统设计中的偏置电流产生电路，很大程度上减小了电路功耗。

9 带隙核心电路

当运放稳定后，通过反馈使其输入电压相等，使得VB1=VB2=VBE，此时PM3、PM4、PM7产生镜像比例电流，流过R1的电流是PTAT电流，它加到了一个VBE/R3 的电流上，此时通过电流镜像，使得PM3 得到了最终的输出电流，电阻R4决定了输出电压VBGH。

而在本设计中加入了新的思想，消除mismatch带来的影响，如图3本设计中具有源极负反馈补偿方法的带隙基准核心电路。

此电路由PM2、PM3等2个MOS管，和R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8等8个电阻，以及两个pnp型的BJT：Q1、Q2和一个运放AMP组成。其中PM2、PM3组成的电流镜像电路；R7、R8组成源极反馈电路，R5，R6组成电压补偿电路。

在BGR的设计中，很多单元 对其功能有一定的影响，其中电流镜的管的匹配影响对电路功能影响很大。

在图3的电路中我们添的R5 和R6 两个电阻是为了降低Mos管vds的影响，因为，如图PM2和PM3组成的电流镜单元，这两个管子的匹配对电路有很大的影响。当没有R6和R5两个电阻，那么我们会发现PM2和PM3的VDS相差很大，因为它们的源极基本上是接到VDD，而PM2漏极电压在600mV左右，而PM3的漏极电压稳定在1.2V左右，所以两个管子的VDS相差很大，会造成很高的匹配影响，为了降低其影响，我们添加了R6和R5两个电阻，来保证PM2和PM3的VDS接近，消弱VDS带来的影响。

为了进一步降低VDS和减小电流镜的匹配误差，我们添加了R8和R9，这样以R8和R9分别对两路电流镜形成了源极负反馈，当加入两个电阻时 ，随着PM2基极电压增加，其电流ID也增加，那么电阻的压降同时增加，那么其VDS也相对减小。这样就减小了电流镜电流偏差对电路的影响。

同时，与传统的带隙基准源对比，我们是以PM2、PM3形成电流镜像，而传统的本身两个BJT各有一路电流镜像，我们的结构进一步减小了电流匹配的误差。

10 仿真验证

验证整体的电路最终输出是否满设计要求，同时观察电路最低工作电压及不同条件下的功耗大小，确定BGR的精度。

由图4可知，当温度在-40～125℃变化时，输出基准电压在1.2～1.204 V之间变化，可得其温度系数为：

通过DC仿真得到，当电源电压在1.6V-3.3V，在所有工艺条件影响下包含：MOS，电阻，电容，BJT。输出基准电压在1.19V～1.22V之间变化，常温下为1.2V，变化范围仅为30mV，精度为±2%之内，达到了很高的精度。同时功耗仅为20uA，比同类IP功耗大大减小。

11 结论与展望

本文设计了一个高精度、低功耗，并且具有自偏置功能的带隙基准源电路，能够输出稳定的基准电压，主要用于MCU，SOC等的reference供电，具有高可靠性。同时提出的自偏置结构、独特的启动电路结构和源极负反馈补偿技术不仅对于BGR具有指导意义，还对于其他类型IP设计提供了新的想法，也具有重要意义。

[责任编辑：王伟平]