[發明專利]低電壓CMOS帶隙基準電壓源

無效

• 申請號: 200910304881.5
• 申請日: 2009-07-28
• 公開（公告）號: CN101630176A
• 公開（公告）日: 2010-01-20
• 發明（設計）人: 范濤;袁國順
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所;北京中科微電子技術有限公司
• 主分類號: G05F3/30
• 分類號: G05F3/30
• 代理公司: 北京市德權律師事務所
• 代理人: 王建國

技術領域

本發明涉及電源及微電子技術領域，特別涉及一種低電源電壓下工作的CMOS帶隙基準電 壓源。

背景技術

一般來說，從芯片外部引入的供電電壓都存在一定的波動，而高精度的模擬電路對偏置 電壓的穩定性要求較高。因此，在模擬電路中一般會使用一個基準電壓源，它可以將電源電 壓轉化為一個具有良好電壓穩定性和溫度穩定性的電壓，為電路的其它部分提供良好的參考 電壓。

基準電壓源通常是指在電路中做電壓基準的精確、穩定的電壓源。隨著集成電路規模的 不斷增大，尤其是系統集成技術的發展，基準電壓源成為大規模、超大規模集成電路和幾乎 所有數字模擬系統中不可缺少的基本電路模塊。

基準電壓源以其輸出參考電壓的精確性和穩定性，被廣泛地應用于高精度模擬電路及數 模混合電路中，例如高精度比較器、高精度A/D和D/A轉換器、線性穩壓器，以及DC/DC變換 器。在A/D和D/A轉換器、數據采集系統以及各種測量設備中，都需要高精度、高穩定性的基 準電壓源，并且基準電壓源的精度和穩定性決定了整個系統的工作性能。基準電壓源主要有 基于正向VBE的電壓基準、基于齊納二極管反向擊穿特性的電壓基準、帶隙電壓基準等多種 實現方式，其中帶隙基準電壓源具有低溫度系數、高電壓抑制比、低基準電壓等優點，因而 得到了廣泛的應用。

一種傳統的CMOS帶隙基準電壓源的工作原理是：利用雙極性晶體管的基極-發射極電壓 V_BE(具有負溫度系數)和它們的差值ΔV_BE(具有正溫度系數)進行相互補償，從而達到電 路的溫度系數為零的目的。圖1示出了這種現有的CMOS帶隙基準電壓源的電路圖。在圖1中， 運算放大器OTA的作用是使電路處于深度負反饋狀態，從而讓運算放大器OTA兩輸入端電壓相 等。因此，在電路穩定輸出時：

I₁R₁+V_BE1＝V_BE2????(1)

V_ref＝V_BE3+I_3R2????(2)

由于基準電壓輸出電路鏡像了基礎電路的電流，因此該基準電壓輸出電路的電流I₃滿足 下列關系式：

I₁＝I₃????(3)

通常，溫度對二極管的伏安特性有較大的影響，溫度升高，保持二極管電流不變時所需 要的正向偏壓減小，即：

V_BE＝VTln(I/Is)????(4)

其中，VT表示溫度的電壓當量，Is為三極管的反向飽和電流。

由公式(1)、(2)和(3)可以進一步地推導出：

I₁＝(V_BE2-V_BE1)/R₁＝VT/R₁ln(I₁/I₂)????(5)

V_ref＝V_BE3+R₂/R₁×VT×ln(I₁/I₂)???????(6)

其中，I₁和I₂的比值為三極管Q1和Q2的發射區面積的比值。可見，一方面，三極管Q1和 Q2的兩個PN結電壓差在電阻R₁上產生了與絕對溫度成正比的電流I_PTAT；另一方面，基準電壓 只與PN結的正向壓降、電阻的比值以及三極管Q1和Q2的發射極面積的比值有關，所以，在實 際的工藝制作中將會有很高的精度。V_BE3具有負的溫度系數，在室溫時大約為-2mV/℃；VT 具有正的溫度系數，在室溫時大約為+0.085mV/℃。通過設定合適的工作點，可以使兩項之 和在某一溫度下達到零溫度系數，從而得到具有較好溫度特性的基準電壓。適當地選取R₁和 R₂，以及Q1和Q2發射區面積的比值即可得到具有零溫度系數的基準電壓。