模拟集成电路设计系列博客——3.3.3 低电压带隙基准

3.3.3 低电压带隙基准

带隙基准源的一个问题是他们在低于\(1.5V\)的供电电压下工作状态不好，根本的问题在于这些电路使用pn结来产生负温度相关度电压，再产生一个正温度相关度电压缩放后与之相加进行温度相关度的抵消。电压之和只要超过了\(1V\)就使得根本无法在电源电压为\(1V\)时使用这些电路。解决的方案是换而使用电流进行求和，一个负温度相关度电流和一个正温度相关度电流，将他们一起施加在一个电阻上来形成一个对温度不敏感的小于\(1V\)的电压基准。

基于这个思想的一个低压带隙基准的结构如下图所示[Banba, 1999]。通过放大器和\(Q_{1-2}\)形成的反馈环路保证了\(Q_1\)和\(Q_2\)的漏极电压高度匹配并且等于\(D_1\)两端的正向电压降\(V_{BE,1}\)，其与绝对温度成反相关。

\(R_b\)两端的电压等于\(D_1\)和\(D_2\)两端正向电压降的压差\(\Delta V_{DE}\)，因此具有正温度相关度。电流镜和匹配电阻\(R_a\)确保流经二极管的电流之间存在\(M\)的倍数差，并且结电流密度的倍数差为\(MN\)。

\[\Delta V_{BE}=\frac{kT}{q}ln(MN) \tag{3.3.46} \]

负温度相关度的\(V_{BE,1}\)和正温度相关度的\(\Delta V_{BE}\)转换为电流\(I_{2a}\)和\(I_{2b}\)后流经电阻\(R_a\)和\(R_b\)，从而：

\[I_{2a}=\frac{V_{BE,1}}{R_a} \tag{3.3.47} \]

\[I_{2b}=\frac{\Delta V_{BE}}{R_b} \tag{3.3.48} \]

这两个电流在\(Q_2\)的漏极求和后镜像到\(Q_3\)上，结果电流随后流经电阻\(R\)来产生基准源输出：

\[V_{ref}=KI_2R=V_{BE,1}(\frac{KR}{R_a})+\frac{kT}{q}ln(MN)(\frac{KR}{R_b}) \tag{3.3.49} \]

其中\(M\)，\(N\)，\(R_a\)，\(R_b\)需要选取为合适的值来使得第一项的负温度相关度与第二项的正温度相关度相互抵消。注意到其中任意直流电压都没有超过\(V_{BE}\)，因此这个电路可以用于供电电压低于\(0.8V\)的情况。\(K\)和\(R\)的值用于缩放基准源的实际输出值\(V_{ref}\)，\(N\)，\(R_a\)和\(R_b\)的值用于抵消\((3.3.49)\)中第一项和第二项的正负温度相关度。需要注意的是，放大器失调和电流镜失配，二极管失配，电阻失配，都会成为这个电路中的误差来源。