一种新型高精度CMOS带隙基准源的设计

提出一种标准CMOS工艺结构的低压、低功耗电压基准源,工作电压为5~10 V。利用饱和态MOS管的等效电阻特性,对PTAT基准电流进行动态电流反馈补偿,设计了一种输出电压为1.3 V的带隙基准电路。使输出基准电压温度系数在-25~＋120℃范围的温度系数为7.427 ppm/℃,在27℃时电源电压抑制比达82 dB。该基准源的芯片版图面积为0.022 mm2,适用于低压差线性稳压器等领域。 《一种新型高精度CMOS带隙基准源的设计》 带隙基准源是模拟集成电路中的重要组成部分，它为系统提供一个稳定的电压参考，对于诸如数模转换器、模数转换器等电子设备的精度至关重要。本文章介绍了一种采用标准CMOS工艺的新型低压、低功耗电压基准源，其工作电压范围为5~10V，设计目标是实现1.3V的输出电压，同时具有优良的温度稳定性和电源电压抑制比。 该设计巧妙地利用了饱和态MOS管的等效电阻特性，对比例于绝对温度（PTAT）的基准电流进行动态电流反馈补偿。这一方法能够有效减少因温度变化导致的输出电压波动。在-25~+120℃的温度范围内，输出基准电压的温度系数仅为7.427 ppm/℃，意味着其对环境温度变化的敏感度极低，极大地提高了基准源的稳定性。 文章提到了在27℃时，电源电压抑制比高达82 dB，这表明该基准源对于电源电压的变化具有极高的免疫力，确保了在各种电源条件下的输出精度。此外，电路的芯片版图面积仅为0.022 mm2，这使得该设计非常适合在空间有限的低压差线性稳压器等应用场景中使用。 带隙基准源的基本原理在于通过组合正温度系数和负温度系数的电压，以抵消温度对输出电压的影响。负温度系数的电压主要来自双极晶体管的基极-发射极电压（VBE），而正温度系数的电压则通过不同电流密度下两个晶体管的基极-发射极电压差得到。通过精心设计，将这两部分电压加权相加，可以得到一个近似温度独立的基准电压。 文章提出的电路结构包含了带隙核心电路、反馈补偿电路和启动电路。带隙核心电路利用饱和状态MOS管复制基准电流，通过双极晶体管Q1和Q2的不同电流密度实现PTAT效应。反馈补偿电路则是对PTAT基准电流进行动态调整，以优化温度特性。启动电路则确保基准源在系统启动时能正确工作。 总体来说，该设计创新地利用CMOS工艺实现了高精度、低功耗的带隙基准源，优化了温度系数和电源电压抑制比，同时考虑了电路的小型化，为嵌入式系统和低电压应用提供了理想的解决方案。这一成果不仅提升了基准源的性能，也为未来集成电路设计提供了新的思路。