杜滨媛，陆建恩，蒋政，刘
（江苏信息职业技术学院微电子学院，江苏无锡，214153）
摘要：设计了一款带电流驱动能力的带隙基准电路。整体电路由带隙基准电路及电压跟随器电路两个模块组成，从而保证了在基准电压的条件下同时具备了电流驱动的能力。电路结构包含启动电路、电压基准以及运放结构，整体设计采用负反馈结构大大减小了版图绘制的面积。总体电路版图面积约为 0.0020mm2。电路在CSMC0.18um工艺条件下进行设计、仿真和版图绘制，结果表明，该电压基准输出电
压为1.14V，输出驱动电流最大为0.1mA，温度系数为0.6mV/℃，线性调整率为9.1μV/V，工作电流为43μA。
关键词：电流驱动；电压基准；温度系数；线性调整率
A Band Gap Reference with Current-Driveing Capability
DU Bin-yuan,LU Jian-en,JIANG Zheng,LIU Xi-feng
（School of Microelectronics,Jiangsu College of Information Technology,Wuxi214153,China）
Abstract:A band gap reference circuit with current drive capability is designed.Proposed circuit is composed with band gap reference and voltage-followed circuit.This structure could achieve the current drive capability under the condition of reference voltage.The circuit structure includes start-up circuit,voltage reference and operational ampli-fier structure.The negative feedbackstructure greatly reduces the area of layout drawing.The circuit is designed,sim-ulated and mapped under cadence18GPDK process conditions.The overall circuit layout area is about0.0020mm2. The results show that the voltage reference output of1.14V,the temperature coefficient is0.6mV/℃,maximum output current is01mA,the linear regulation is9.1μV/V,the operating current is43μA.
Key words:current drive;voltage reference;temperature coefficient;linear regulation
*基金项目：江苏省教育厅资助项目（PPZY2015B190）；江苏省教育厅“青蓝工程”科技创新团队资助项目
引言
电压基准是许多控制应用电路所必须模块，而且电路的控制精度或性能指标在很大程度上都取决于基准电路的好坏。近年来电压基准被广泛应用于数据转换器、智能传感器以及电源转换器电路中。
传统的带隙基准是通过一个具有正温度系数的电压以及一个具有负温度系数的电压两者相叠加而成。正温度系数电压的实现一般是用两个双极型集体管的基极-发射极电压差生成，而负温度系数电压则是利用PN结具有负温度特性来实现的。一般情况下这样就是一个完整的传统带隙基准结构，但是这个结构有一个较大缺陷，那就是其输出端并不能直接连接阻性负载，因为传统的带隙基准不具备电流驱动能力。如果在传统带隙结构的后端直接连接负载的话，因为负载将分走一部分正温度系数电流，从而会影响到带隙基准电路主体功能，导致不能生成一个稳定的基准电压，那么这个电路也就没有意义了。
本文设计实现了一个具有电流驱动能力的电压基准，该基准通过在传统电压基准的后端连接一个电压跟随器来实现电流的驱动。利用负反馈通过控制一个MOS管栅极电压来起到控制电流的作用。通过负反馈使得运放的输入端虚短，输出电压仍为原来的基准电压。该设计除了具有传统的基准电压之外，同时还具有一定的电流驱动能力。
1带隙基准总体结构设计
图1为本文设计带隙基准电路的整体结构框图，包含启动电路、电压基准以及电压跟随器结构等模块。最终可以实现稳定电压的输出并且具备一定的电流驱动能力。启动电路位于整体电路的前端，正常情况下不工作，只有当电路处于零工作点状态时，启动电路才会运作，起到让整体电路脱离零工作点这
一“简并点”的作用。主体基准电压电路利用一个正温度系数电压与一个负温度系数电压叠加，实现一个与温度、电源电压都无关的带隙基准电压。最后通过运放负反馈电路，实现电压的跟随，从而使得整体电路具备一定的输出驱动能力。
电压跟随器电路图
1.1启动电路原理与实现
在整个带隙基准电路中存在着一个非常重要的问题，那就是“简并点”的存在。当电路通电时，若整个电路中的晶体管均无电流通过，电路处于零工作点处，此时整体电路将不工作，输出电压为0。此时，虽然输出为0，但整体电学参数也完全满足电路方程，故0工作点也是整体电路工作点之一，显然该点并不是我们所需要的电路工作状态。若要解决这个问题我们必须要在电路中增加一个启动电路，使电路够脱离这个“简并点”而处于我们需要的工作状态。与此同时，当电路正常工作时，这个启动电路应当停止工作，避免影响主体电路的正常运作。如图2所示为一种启动电路的电路结构。
图2所示为基本启动电路结构，其工作原理在于M5的存在保证了电路通电时，M3到M1的电流通路，所以当电路上电时电路不会出现断开的情况，但是要实现这种情况必须要满足V TH1+V TH5+V TH3 <V DD。还有上述
文章中提到的在电路正常工作
时，M5处于一种关闭的状态，这时必须要满足
图1设计电路的整体原理框图
图2基本启动电路结构
V GS1+V TH5+V GS3|>V DD。只有这两个条件都满足时这个启动电路才算是完成了它的作用。
上诉基本启动电路结构有一个比较大的缺陷那就是启动电路的电源电压必须要满足所有的管子都处于饱和条件下，在深亚微米工艺中，由于电源电压本身就非常小，再要满足器件的饱和工作将非常困难。在CSMC0.18um工艺条件下，电源电压为1.8V，因此这里不能采用基本启动电路结构，需要重新设计符合该工艺条件的启动电路
如图3所示，该电路中使用到了NMOS差分结构，而差分结构的特点就是能够根据差分输入及时纠正输出电压来转移工作点。由于差分结构对电源电压要求不高，故而我的启动电路能在电源电压为1.8V的情况下依旧正常工作。
1.2电压基准原理与实现
要想实现一个稳定的基准电压必须要满足两个要素，一是与电源电压无关，二是与温度无关，而如何实现与温度无关就是实现基准的关键。这里用一个正温度系数电压和一个负温度系数电压叠加来实现。
1.2.1正温度系数电压
当两个双极型晶体管在不相等的电流密度下工作时，则它们的基极—发射极电压的差值与绝对温
度成比例。△V BE=V T ln N，N代表I2
I1S1
S2
，I1、I2为流过
两个双极晶体管的电流，S1、S2为两个双极晶体管的面积。当I1、I2在理想状态下成一定比例时，N为常数，而V T=KT
q
，K为波尔兹曼常数，q为电子电荷量，两者都为常量，当我们对T进行求导时，则有：
ə△V BEəT=K
q
ln N（1）这样就得到了我们所需要的正温度系数，恰巧这个温度系数与温度或集电极电流的性能无关。
1.2.2负温度系数电压
相较于其他器件来说，PN结二极管的正向电压具有负温度系数特性。首先对于一个双极型器件我们可以写出：
I C=I S exp（V BE/V T)（2）
V T=KT/q，饱和电流I S正比于μкTn i2，μ为少数载流子迁移率，n i为硅的本征载流子浓度。而这些参数与温度的关系可以表示为μ∝μ0T m，m≈-3/2，并且n i2∝T3exp[-E g/(kT)]，其中E g为硅的带隙能量，并且E g≈1.12eV。所以：
I S=bT4+m exp-E g
kT
（3）在双极型器件中有基极—发射极电压V BE=V T ln(I C/I S)。这时在假设I C不变的情况下我们就可以对T进行求导了。
əV BEəT=əV TəT ln I C
I S
-V T
I S
əI SəT（4）
由式（3）可以得到：
əI SəT=b4+m()T3+m exp-E g/kT
+bT4+m exp-E g kT
()E g kT2()（5）
所以，
V T
I S
əI SəT=4+m()V T
T
+E g
kT2
V T（6）由式（4）和（6），我们可以得到：
əV BEəT=V BE-4+m()V T-E g/q
T
（7）该式给出了在一定温度T下时基极—发射极电压的温度系数。当V BE≈750mV，T=300°K时，əV BE/əT≈-1.5mV/°K
。
1.2.3电压基准的实现
如图4所示结构就是本次设计所使用到的电压
基准结构。该结构的原理是，图中A点所示位置生
成了正温度系数电压，与Q3发射极所生成的负温图3启动电路结构
图4电压基准结构
度系数电压，
在B 点所在之路上叠加，最终获得零温度系数基准电压。具体的实现方式在于，这里是运用电流镜与差分放大电路的配合来实现正温度系数电压。
这里用一个简单的差分结构，运用差分结构类似于运放的虚断特性，控制A 、C 两点的电压相同，则两点所连接的支路的电流也相同，
从而实现正温度系数电压。再与B 点所示支路上PN 结生成的负温度系数叠加实现零温度系数电压。
1.3电压跟随器原理与实现
如图5所示电路为电压跟随器结构，图中所示电压跟随器的结构实际上是通过负反馈来控制M1管的栅极电压，从而起到控制电流的作用。通过负反馈使得运放的输入端虚短，输出B 点电压跟随A 点电压。
电压基准后接电压跟随器还能起到电流驱动的作用。如果不添加电压跟随器结构，而直接在电压基准后接负载，就会引起基准电压的变化，
使得不能得到一个稳定的基准电压。而添加了电压跟随器的电路，及时在后面接入负载，也并不影响电压的变化，电路仍是一个负反馈结构，运放的输入端仍然是虚短。这也是本次设计区别于传统电压基准的特别之处。
2
电路仿真
2.1与电源电压的关系
图6中横坐标代表电源电压的范围为0-3V ，纵坐标就是电路正常工作时的输出电压，随着电源电压的不断增加，其工作电压也在不断增加，当电源电压增加到约为1.5V 左右，所有管子工作在正常的工作点电路正常工作。根据上图计算电源电压调整率约为9.1μV/V 。
2.2与温度系数的关系
从图7中我们可以看出起初随着温度的不断升高，其输出的基准电压在不断减小，当到达一个零界点时，输出的基准电压就随着温度的不断升高而增大，根据上图计算总体温度系数约为0.6mV/℃。
2.3输出驱动电流
图7、图8中横坐标代表负载，纵坐标分别代表电压和电流。从图7和图8中我们
看出当输出电压稳定在1.14V
时，最大输出
电流约为0.102mA ，仿真结果表明所设计的电路具有较好的输出驱动能力，并且数值良好。
图5电压跟随器结构
图6与电源电压的关系
图7与温度系数的关系
图9放大后的输出驱动电流图
图8输出驱动电流
图10总图电路版图
表1芯片测试结果及同类产品对比
3版图绘制
本设计版图采用CSMC 0.18um 工艺进行设计。在设计过程中对大宽长比的MOS 管进行了大幅度优化，以减小版图面积，最终版图如图10所示，芯片版图总体面积约为0.002mm 2。
由于整体设计上采用了运放负反馈结构，避免了采用更复杂的电压跟随器电路结构，从而很大程度上节约了版图面积。如果不使用负反馈结构，总体版图的面积将为0.003mm 2左右。总体芯片
面积节约了30%。
4测试验证
经过多次仿真验证后，该设计最终测试结果以及与参考文献同类设计的对比结果，
如表1所示，从表1中可以看出本文所设计的电压基准电流驱动性能指标虽然不是每项指标都优于其他设计，但在输出驱动能力上有独到的优势，同时工作温度范围也较广。
5
结论
本文研究设计了一款带电流驱动能力的带隙基准电路，该电路
利用电压
跟随器结构使电路具备
了一定的电流驱动能力，输出电流约为0.1mA ，并且还具备传统带隙输出稳定电压的功能。该设计可以作为带电流驱动能力的带隙基准的设计参考
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作者简介
杜滨媛，微电子技术专业。
刘，副教授，研究方向数模混合集成电路设计，射频集成电路设计。
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