第二章带隙基准电压源电路设计 第二章 带隙基准电压源电路设计 2.1前言 1971年，带隙基准电压源由Widlar[2]首次实现，其为整个电路系统提供对 温度、电源电压和工艺变化不敏感的直流参考电压，它是模拟电路基础模块之一 [2]。随着集成电路工艺技术的不断发展，其应用范围不断扩大，结构不断创新， 性能不断的提高，朝着低电源电压、低功耗、低温度系数、高电源抑制和低噪声 的方向不断发展。 2.1.1带隙基准源的发展历史 集成电路发展初期，基准参考电压源主要是利用齐纳二极管来实现，但齐纳 二极管基准源存在所需电源电压高（高于7V)、工作电流大（一般为几毫安）、容易 受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境的影响、噪声较大和长期稳定性差等缺点。 Widlar首次提出了带隙基准源概念2]。它相比于齐纳二极管基准源具有很 多优点，这一技术具有里程碑意义。其基本原理是利用具有负温度系数的三极管 的基极一发射极电压VE和具有正温度系数的工作在不同电流密度下的两个基 极一发射极电压之差△VE,将两个电压加权相加，得到零温度系数的基准电压。 在此之后，基于Widlar结构，Kuik利用运放设计一种精确参考电压源，这 种结构兼容于标准CMOS工艺，是目前标准CMOS工艺下的普遍结构3]。在 Kujk基准源的基础上，Brokaw提出了一种消除三极管基极电流误差的设计方 法，大大提高了带隙参考源输出电压的精度。相比于Widlar基准源，它大大简 化了电路结构，具有良好的电源抑制特性，是目前BiCMOS工艺下的常用结构 [4]。 随着工艺特征尺寸向深亚微米发展，电源电压降低到1V以下，这己低于硅 的带隙电压（约1.2V左右），H.Banba等人首次提出了可以工作在1V电压以下 的带隙基准结构[5]。其将输出参考电压转换为两路电流之和，一路正比于VBE 的电流，另一路正比于Vr。近日，有研究提出一种新结构SBGR(Subtracting Bandgap Reference),其将两个不同幅度，但具有相同温度系数的 CTAT(Complementary To Absolute Temperature)电流相减来得到低温度系数的 输出参考电压[6]。该结构相对于现有的结构，温度系数大大降低。 双极型晶体管由于良好的重复性和温度特性，一直都是带隙基准的主流测温 元件。但有研究表明：工作于弱反型区MOSFET的栅源电压与温度的关系是准 指数关系。可以用MOSFET的栅源电压Vcs取代双极型晶体管的基极-发射极电 压VBE来设计基准参考源，实现了纯CMOS器件基准参考源[7][8][9]。这种技术 7第二章 带隙基准电压源电路设计 7 第二章 带隙基准电压源电路设计 2.1 前言 1971 年，带隙基准电压源由 Widlar[2]首次实现，其为整个电路系统提供对 温度、电源电压和工艺变化不敏感的直流参考电压，它是模拟电路基础模块之一 [2]。随着集成电路工艺技术的不断发展，其应用范围不断扩大，结构不断创新， 性能不断的提高，朝着低电源电压、低功耗、低温度系数、高电源抑制和低噪声 的方向不断发展。 2.1.1 带隙基准源的发展历史 集成电路发展初期，基准参考电压源主要是利用齐纳二极管来实现，但齐纳 二极管基准源存在所需电源电压高(高于 7 V)、工作电流大(一般为几毫安)、容易 受到表面氧化层中迁移电荷及外界环境的影响、噪声较大和长期稳定性差等缺点。 Widlar 首次提出了带隙基准源概念[2]。它相比于齐纳二极管基准源具有很 多优点，这一技术具有里程碑意义。其基本原理是利用具有负温度系数的三极管 的基极—发射极电压 VBE 和具有正温度系数的工作在不同电流密度下的两个基 极—发射极电压之差∆VBE，将两个电压加权相加，得到零温度系数的基准电压。 在此之后，基于 Widlar 结构，Kuijik 利用运放设计一种精确参考电压源，这 种结构兼容于标准 CMOS 工艺，是目前标准 CMOS 工艺下的普遍结构[3]。在 Kuijik 基准源的基础上，Brokaw 提出了一种消除三极管基极电流误差的设计方 法，大大提高了带隙参考源输出电压的精度。相比于 Widlar 基准源，它大大简 化了电路结构，具有良好的电源抑制特性，是目前 BiCMOS 工艺下的常用结构 [4]。 随着工艺特征尺寸向深亚微米发展，电源电压降低到 1 V 以下，这已低于硅 的带隙电压(约 1.2 V 左右)，H. Banba 等人首次提出了可以工作在 1 V 电压以下 的带隙基准结构[5]。其将输出参考电压转换为两路电流之和，一路正比于 VBE 的电流，另一路正比于 VT。近日，有研究提出一种新结构 SBGR(Subtracting Bandgap Reference) ，其将两个不同幅度，但具有相同温度系数的 CTAT(Complementary To Absolute Temperature)电流相减来得到低温度系数的 输出参考电压[6]。该结构相对于现有的结构，温度系数大大降低。 双极型晶体管由于良好的重复性和温度特性，一直都是带隙基准的主流测温 元件。但有研究表明：工作于弱反型区 MOSFET 的栅源电压与温度的关系是准 指数关系。可以用 MOSFET 的栅源电压 VGS 取代双极型晶体管的基极-发射极电 压 VBE来设计基准参考源，实现了纯 CMOS 器件基准参考源[7][8][9]。这种技术