一種基于斬波調(diào)制的帶隙基準(zhǔn)電壓源

引言

基準(zhǔn)電壓源是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、 線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器、溫度傳感器、充電電池保護(hù)芯片 和通信電路等電路中不可缺少的部分；對(duì)模擬系統(tǒng)而言基準(zhǔn) 電壓源的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和性能；作為A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器以及通信電路中的一個(gè)基本組件，基準(zhǔn)源始終是 集成電路中一個(gè)重要的單元模塊。它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪 聲能力是影響到電路精度和性能的關(guān)鍵因素。由于帶隙基準(zhǔn) 電路(bandgap)的輸出電壓幾乎不受溫度和電源電壓變化的影 響，這就使得片內(nèi)集成的帶隙基準(zhǔn)電壓成了模擬集成電路芯片 中不可缺少的關(guān)鍵部件。我們知道,帶運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電路, 比不使用運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)的精度更高，系統(tǒng)失調(diào)更小，但是 運(yùn)算放大器的隨機(jī)失調(diào)電壓(Ks)對(duì)bandgap的輸出精度的影 響很大；運(yùn)算放大器的Vos隨著環(huán)境的溫度和工藝的變化而 變化，為了減小運(yùn)算放大器的Vos的影響，我們必須采用一些 技術(shù)來消除這個(gè)Vos.我們通常會(huì)使用微調(diào)(trimming)技術(shù)來消除Vos的影響，但是這種技術(shù)比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)面積和增加成 本，并且它不適用于消除由于器件老化弓起的失調(diào)。為了克服 trimming技術(shù)的缺點(diǎn)，本文使用了斬波技術(shù)來消除V>s的影響, 斬波技術(shù)的思想是通過調(diào)制和解調(diào)，將低頻的噪聲和Vos 調(diào)制到高頻處，然后再經(jīng)過低通濾波器來消除它們的影響。本 文設(shè)計(jì)了一種使用斬波調(diào)制技術(shù)的CMOS帶隙基準(zhǔn)電路來消 除器件失配對(duì)基準(zhǔn)電壓源輸出精度的影響。

1帶隙基準(zhǔn)源的工作原理

帶隙基準(zhǔn)電壓通過一個(gè)與絕對(duì)溫度成反比(CTAT)電 壓和一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比(PTAT)電壓按照一定的比例相 加得到的。由于雙極型晶體管的Vbe是一個(gè)近似CTAT電壓， 我們可以考慮用它來做帶隙基準(zhǔn)電路，我們知道，如果兩個(gè)雙 極晶體管工作在不同的電流密度下，那么他們的基極-發(fā)射極 電壓的差值是一個(gè)PTAT電壓。帶隙基準(zhǔn)基本原理是利用 Vt的正溫度系數(shù)和雙極型晶體管Vbe的負(fù)溫度系數(shù)相互抵消, 從而獲得一個(gè)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路如圖1所示，雙極型晶體管0、0和Q6是在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工 藝中寄生的縱向PNP管。通過運(yùn)算放大器U1形成的負(fù)反饋, 使得節(jié)點(diǎn)VA和Vb的電壓相等，從而使得流過Q1和Q2的電 流相等，流過電阻R的PTAT電流，通過Q5鏡像到電阻R2 的那條之路，并在那條之路產(chǎn)生我們所需要的帶隙基準(zhǔn)電壓。 輸出電壓Vbg是PTAT電壓和片b的和，PTAT電壓是由鏡像 Q5的PTAT流過電阻R2產(chǎn)生的，然后再將這個(gè)電壓加上雙極 型晶體管Q6的焰的電壓，就得到所需要的帶隙基準(zhǔn)電壓,即:

當(dāng)運(yùn)放的輸入失遮K)電壓不為0時(shí),此時(shí)的輸出電壓為:

從(2)式可知，只有在Vos很小且與溫度無關(guān)才能保證 Vbg的精度和良好的溫度特性。

2本文設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源

      圖 2 顯示了斬波放大器的各組成部分，該斬波放大器由斬波器1（CH1）、運(yùn)算放大器（A1）斬波器2（CH2）和低通濾波器(LPF)組成。斬波放大器的作用是將我們所需要的Vin和不需要的Vos調(diào)制解調(diào)到不同的頻率處，從而消除失調(diào)電壓Vos的影響。輸入信號(hào)（Vin）被CH1調(diào)制到高頻得到Va，然后Va同低頻的失調(diào)電壓Vos疊加作為運(yùn)算放大器的輸入，A1同時(shí)放大Vos和調(diào)制后的Vin，得到Vb，經(jīng)過CH2的Vb中的高頻的Vin被解調(diào)到低頻，而Vb中低頻的Vos被調(diào)制到高頻，此時(shí)的Vout經(jīng)過一個(gè)低通濾波器，就能夠得到不包含Vos的輸出電壓Vlpf。

       本文設(shè)計(jì)的使用斬波調(diào)制技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源如圖3所示，M1～M8構(gòu)成啟動(dòng)電路，讓帶隙基準(zhǔn)電路脫離簡(jiǎn)并點(diǎn)的工作在正常的狀態(tài)；M9～M25構(gòu)成斬波放大器放利用斬波技術(shù)消除由于晶體管不匹配造成的隨機(jī)失調(diào)電壓的影響，從而提供帶隙基準(zhǔn)電壓的精度；M13～M16組成的斬波器在斬波放大器的輸入端，該斬波器對(duì)運(yùn)算放大器的差模輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制；M9～M12組成的斬波器放在實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)單的電流源負(fù)載處，它有兩個(gè)作用，一是對(duì)調(diào)制的輸入進(jìn)行解調(diào)到低頻，二是把晶體管不匹配產(chǎn)生的失調(diào)電壓調(diào)制到高頻；C1作為補(bǔ)償電容，保證環(huán)路的穩(wěn)定性；R1～R3、Q1～Q2構(gòu)成PTAT電流源和帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，同時(shí)用一個(gè)電流鏡鏡像PTAT電源為OTA提供偏置電流源；R4和C2構(gòu)成低通濾波器，濾除調(diào)制到高頻的Vos，獲得我們所需要的基準(zhǔn)電壓Vbg。

3仿真結(jié)果分析

本文基于0.35卩m CMOS工藝，用Cadence Spectre工具對(duì)電路進(jìn)行仿真?；鶞?zhǔn)電壓隨溫度變化的情況如圖4所示,

V,g在室溫的輸出電壓為1.232 V, V,g的最大變化為5 mV,該 bandgap的溫度系數(shù)在-40?125 °C的范圍內(nèi)為24.6 ppm/°C ；

在0?100 C的范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為13.7 ppm/C。

本文設(shè)計(jì)的使用斬波調(diào)制技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源如圖3 所示,制?M構(gòu)成啟動(dòng)電路，讓帶隙基準(zhǔn)電路脫離簡(jiǎn)并點(diǎn)的 工作在正常的狀態(tài)；?M25構(gòu)成斬波放大器放利用斬波技 術(shù)消除由于晶體管不匹配造成的隨機(jī)失調(diào)電壓的影響，從而提 供帶隙基準(zhǔn)電壓的精度；13?M組成的斬波器在斬波放大 器的輸入端，該斬波器對(duì)運(yùn)算放大器的差模輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào) 制;"?M12組成的斬波器放在實(shí)現(xiàn)雙轉(zhuǎn)單的電流源負(fù)載處, 它有兩個(gè)作用，一是對(duì)調(diào)制的輸入進(jìn)行解調(diào)到低頻，二是把

從圖中可以看到,Fdd在0?3 V變化的時(shí)候，當(dāng)Vdd到1.4 V以后，隊(duì)g趨于穩(wěn)定，由此可以得到該bandgap的最低工作 電壓至少可低到1.4 V

在相同結(jié)構(gòu)和相同的仿真條件下，將采用斬波調(diào)制技術(shù) 的帶隙基準(zhǔn)與不采用斬波調(diào)制技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)的輸出進(jìn)行比 較，結(jié)果如表1所列，斬波器控制信號(hào)的頻率F為100 kHz。

由表1可知，在不采用斬波調(diào)制技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)，運(yùn) 算放大器1 mV的輸入失調(diào)電壓V,s將會(huì)引起輸入電壓變化 12.2 mV。而采用了斬波調(diào)制技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓的輸出幾乎 不受運(yùn)算放大器輸入失調(diào)電壓的影響，只是在理想運(yùn)放的輸 出電壓上疊加了一個(gè)頻率為調(diào)制頻率Fc的紋波如圖6所示, 紋波的幅值與V。、和低通濾波器的-3 dB帶寬相關(guān)，氣越小, 紋波的峰峰值越小，低通濾波器的-3 dB帶寬越小，紋波的 峰峰值也越小。我們可以得到，采用了斬波調(diào)制技術(shù)的帶隙基 準(zhǔn)的精度比不采用調(diào)制技術(shù)的結(jié)構(gòu)的提高了 21倍。這樣隨機(jī) 失調(diào)電壓不再是影響基準(zhǔn)源的精度的主要因素，如果要進(jìn)一 步提高基準(zhǔn)源的精度，就需要從其他影響基準(zhǔn)電壓精度的因 素入手。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種使用斬波調(diào)制技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)，采用對(duì) 稱性O(shè)TA作為運(yùn)算放大器可以減小帶隙基準(zhǔn)的系統(tǒng)誤差， 采用斬波調(diào)制技術(shù)消除了晶體管不匹配造成的隨機(jī)誤差對(duì)輸 出電壓精度的影響，同時(shí)本文采用了自適應(yīng)偏置技術(shù)，利用 bangap核心電路產(chǎn)生的PTAT電流源為運(yùn)算放大器提供偏置, 而無需再另外設(shè)計(jì)一個(gè)電流源為OTA提供偏置，從而減小了 功耗。本文設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)源采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)了低壓、 高精度的帶隙基準(zhǔn)，適合低壓低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。

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