一种基于斩波调制的带隙基准电压源

引言

基准电压源是模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、 线性稳压器和开关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片 和通信电路等电路中不可缺少的部分；对模拟系统而言基准 电压源的性能直接影响整个系统的精度和性能；作为A/D、 D/A转换器以及通信电路中的一个基本组件，基准源始终是 集成电路中一个重要的单元模块。它的温度稳定性以及抗噪 声能力是影响到电路精度和性能的关键因素。由于带隙基准 电路(bandgap)的输出电压几乎不受温度和电源电压变化的影 响，这就使得片内集成的带隙基准电压成了模拟集成电路芯片 中不可缺少的关键部件。我们知道,带运算放大器的基准电路, 比不使用运算放大器结构的精度更高，系统失调更小，但是 运算放大器的随机失调电压(Ks)对bandgap的输出精度的影 响很大；运算放大器的Vos随着环境的温度和工艺的变化而 变化，为了减小运算放大器的Vos的影响，我们必须采用一些 技术来消除这个Vos.我们通常会使用微调(trimming)技术来消除Vos的影响，但是这种技术比较费时、费面积和增加成 本，并且它不适用于消除由于器件老化弓起的失调。为了克服 trimming技术的缺点，本文使用了斩波技术来消除V>s的影响, 斩波技术的思想是通过调制和解调，将低频的噪声和Vos 调制到高频处，然后再经过低通滤波器来消除它们的影响。本 文设计了一种使用斩波调制技术的CMOS带隙基准电路来消 除器件失配对基准电压源输出精度的影响。

1带隙基准源的工作原理

带隙基准电压通过一个与绝对温度成反比(CTAT)电 压和一个与绝对温度成正比(PTAT)电压按照一定的比例相 加得到的。由于双极型晶体管的Vbe是一个近似CTAT电压， 我们可以考虑用它来做带隙基准电路，我们知道，如果两个双 极晶体管工作在不同的电流密度下，那么他们的基极-发射极 电压的差值是一个PTAT电压。带隙基准基本原理是利用 Vt的正温度系数和双极型晶体管Vbe的负温度系数相互抵消, 从而获得一个与温度无关的基准电压。传统的带隙基准电路如图1所示，双极型晶体管0、0和Q6是在标准CMOS工 艺中寄生的纵向PNP管。通过运算放大器U1形成的负反馈, 使得节点VA和Vb的电压相等，从而使得流过Q1和Q2的电 流相等，流过电阻R的PTAT电流，通过Q5镜像到电阻R2 的那条之路，并在那条之路产生我们所需要的带隙基准电压。 输出电压Vbg是PTAT电压和片b的和，PTAT电压是由镜像 Q5的PTAT流过电阻R2产生的，然后再将这个电压加上双极 型晶体管Q6的焰的电压，就得到所需要的带隙基准电压,即:

当运放的输入失遮K)电压不为0时,此时的输出电压为:

从(2)式可知，只有在Vos很小且与温度无关才能保证 Vbg的精度和良好的温度特性。

2本文设计的带隙基准源

      图 2 显示了斩波放大器的各组成部分，该斩波放大器由斩波器1（CH1）、运算放大器（A1）斩波器2（CH2）和低通滤波器(LPF)组成。斩波放大器的作用是将我们所需要的Vin和不需要的Vos调制解调到不同的频率处，从而消除失调电压Vos的影响。输入信号（Vin）被CH1调制到高频得到Va，然后Va同低频的失调电压Vos叠加作为运算放大器的输入，A1同时放大Vos和调制后的Vin，得到Vb，经过CH2的Vb中的高频的Vin被解调到低频，而Vb中低频的Vos被调制到高频，此时的Vout经过一个低通滤波器，就能够得到不包含Vos的输出电压Vlpf。

       本文设计的使用斩波调制技术的带隙基准电压源如图3所示，M1～M8构成启动电路，让带隙基准电路脱离简并点的工作在正常的状态；M9～M25构成斩波放大器放利用斩波技术消除由于晶体管不匹配造成的随机失调电压的影响，从而提供带隙基准电压的精度；M13～M16组成的斩波器在斩波放大器的输入端，该斩波器对运算放大器的差模输入信号进行调制；M9～M12组成的斩波器放在实现双转单的电流源负载处，它有两个作用，一是对调制的输入进行解调到低频，二是把晶体管不匹配产生的失调电压调制到高频；C1作为补偿电容，保证环路的稳定性；R1～R3、Q1～Q2构成PTAT电流源和带隙基准电压产生电路，同时用一个电流镜镜像PTAT电源为OTA提供偏置电流源；R4和C2构成低通滤波器，滤除调制到高频的Vos，获得我们所需要的基准电压Vbg。

3仿真结果分析

本文基于0.35卩m CMOS工艺，用Cadence Spectre工具对电路进行仿真。基准电压随温度变化的情况如图4所示,

V,g在室温的输出电压为1.232 V, V,g的最大变化为5 mV,该 bandgap的温度系数在-40〜125 °C的范围内为24.6 ppm/°C ；

在0〜100 C的范围内的温度系数为13.7 ppm/C。

本文设计的使用斩波调制技术的带隙基准电压源如图3 所示,制〜M构成启动电路，让带隙基准电路脱离简并点的 工作在正常的状态；〜M25构成斩波放大器放利用斩波技 术消除由于晶体管不匹配造成的随机失调电压的影响，从而提 供带隙基准电压的精度；13〜M组成的斩波器在斩波放大 器的输入端，该斩波器对运算放大器的差模输入信号进行调 制;"〜M12组成的斩波器放在实现双转单的电流源负载处, 它有两个作用，一是对调制的输入进行解调到低频，二是把

从图中可以看到,Fdd在0〜3 V变化的时候，当Vdd到1.4 V以后，队g趋于稳定，由此可以得到该bandgap的最低工作 电压至少可低到1.4 V

在相同结构和相同的仿真条件下，将采用斩波调制技术 的带隙基准与不采用斩波调制技术的带隙基准的输出进行比 较，结果如表1所列，斩波器控制信号的频率F为100 kHz。

由表1可知，在不采用斩波调制技术的带隙基准，运 算放大器1 mV的输入失调电压V,s将会引起输入电压变化 12.2 mV。而采用了斩波调制技术的带隙基准电压的输出几乎 不受运算放大器输入失调电压的影响，只是在理想运放的输 出电压上叠加了一个频率为调制频率Fc的纹波如图6所示, 纹波的幅值与V。、和低通滤波器的-3 dB带宽相关，气越小, 纹波的峰峰值越小，低通滤波器的-3 dB带宽越小，纹波的 峰峰值也越小。我们可以得到，采用了斩波调制技术的带隙基 准的精度比不采用调制技术的结构的提高了 21倍。这样随机 失调电压不再是影响基准源的精度的主要因素，如果要进一 步提高基准源的精度，就需要从其他影响基准电压精度的因 素入手。

4结语

本文设计了一种使用斩波调制技术的带隙基准，采用对 称性OTA作为运算放大器可以减小带隙基准的系统误差， 采用斩波调制技术消除了晶体管不匹配造成的随机误差对输 出电压精度的影响，同时本文采用了自适应偏置技术，利用 bangap核心电路产生的PTAT电流源为运算放大器提供偏置, 而无需再另外设计一个电流源为OTA提供偏置，从而减小了 功耗。本文设计的基准源采用标准CMOS工艺，实现了低压、 高精度的带隙基准，适合低压低功耗的应用场合。

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