一种简易可行的带隙基准电压的设计
模拟电路设计常常用到电压基准和电流基准。这些基准受电源、温度或者工艺参数的影响很小，为电路提供一个相对稳定的参考电压或者电流，从而保证整个模拟电路稳定工作。
目前已经出现的高性能带隙基准，能够实现高精度、低温漂和低功耗，但这些电路中一般都有运放，调试难度较大；电路结构复杂，原理不便理解。在一般的应用中，如果对带隙基准电压的要求不是特别高的情况下，完全可以采用一种更为简洁的电路结构。
因此，这里介绍一种简易可行的带隙基准电压的设计，利用ptat电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度无关的基准电压。
1 低温漂低功耗带隙基准电压设计
带隙基准电压的设计目标，就是建立一个与电源和温度无关的直流电压vref。进一步将该目标分为2个设计问题：设计与电源无关的偏置，获取能抵消温度影响的电压值。图1为其整体设计框图。
1．1 与电源无关的偏置
首先设计与电源无关的偏置。考虑采用2个nmos管和电阻做近似的电流镜做偏置，并充分利用电流镜的“电流复制”特点，设计一个简单的电流产生电路，如图2所示。在这个电路中，因为栅漏短接的mos管都是由一个电流源驱动，所以i0和i1几乎与电源电压无关。同时，2条支路的电流关系是确定的，只要已知i0，便可由宽长比得到左边支路电流的大小。忽略沟道长度调制效应的影响，支路电流的比值和mos管宽长比的比值成正比。为了唯一确定电流，加入电阻r1。则有：vgs1=vgs2+i0r1，忽略体效应，有：
由式(1)可见，输出电流与电源电压无关，但仍与工艺和温度有关。
1．2 与温度无关的基准
带隙基准的核心，就是将有着正负相反温度系数的电压以适当的系数加权，得到零温度系数的电压量。本设计中用到的负温度系数电压，是pn结的正向电压，也就是bjt的发射结正偏电压。双极型晶体管的集电极电流和基极发射极电压的关系：
式中，is是双极型晶体管的饱和电流，eg是硅的禁带宽度。当vbe≈0．75 v，t=300 k时，。注意，该温度系数本身与温度有关，可能会引起误差。
相同的双极型晶体管在不等的电流密度下工作，它们的基极发射极电压差值与绝对温度成正比，利用这个关系，建立一个带正温度系数电压。假设bjt的饱和电流，is1=is2=is，集电极电流分别为ni0和i0，那么：
根据以上分析，完全可以利用这2种带有相反温度系数的电压设计一个零温度系数的电压基准。假设，已知，取α=1，则只需βlnn≈17．2，即可满足，实现了零温度系数基准电压vref。
1．3 参数确定
电路整体设计如图3所示。
其输出电压的表达式：
式中，n是vq1的bjt并联数，m是流经r2和r1的电流比值，等于vp3和vp1的宽长比。
在调试电路时应该注意，vp1、vp2、vn1、vn2和电阻组成提供偏置的电流源，因此vp1和vp2、vn1和vn2应该尽量匹配，对称设计，且管子尺寸稍大。同时，使vn1和vn2的源极电压值尽可能相等。
在原理设计中，多次进行理性化估计，实际测试中存在的误差在所难免。为了达到最优效果，必须在测试中不断修正电路参数，然后再做测试。同时也应意识到，任何一个电路的各个指标都是相互影响相互制约的，应根据需要调整，以保证整体设计效果。
2 仿真结果
采用0．35μm bicmos工艺模型对电路进行仿真，输出电压随温度变化曲线如图4所示。当电压提供5 v供电，温度从o～70℃变化时，电压始终在1．135 32～1．136 56 v范围内变化，测得温漂系数为16．4 ppm／℃。当电源电压从5～6 v变化时，输出电压变化量为1．3 mv，电源抑制比达57．7 db。噪声分析如图5所示，用软件对曲线进行积分，可得到电路总的输出噪声为140．3μv。同时，电路总电流控制在60μa左右，功耗为300．6 μw。
3 结束语
介绍了一种结构简易，原理清晰的带隙基准电压源的设计过程。采用不受电源影响的串联电流镜做偏置，利用ptat电压和基极发射极电压的相反温度系数特性构造输出电压。0～70~c范围内，温漂系数为16．4 ppm／℃。供电从5～6 v变化时，电源抑制比达57．7 db。总输出噪声为140．3μv，功耗为300．6μw。参数达到预定目标，能基本满足要求。该带隙基准电压电路简单，主要部分只用5个mos管、3个bjt和2只电阻，避开了通用的带运放设计，大大简化调试难度，而且设计思路简洁明了，便于入门级人员短时间内掌握。
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目前已经出现的高性能带隙基准，能够实现高精度、低温漂和低功耗，但这些电路中一般都有运放，调试难度较大；电路结构复杂，原理不便理解。在一般的应用中，如果对带隙基准电压的要求不是特别高的情况下，完全可以采用一种更为简洁的电路结构。
因此，这里介绍一种简易可行的带隙基准电压的设计，利用ptat电压和双极性晶体管发射结电压的不同的温度特性，获取一个与温度无关的基准电压。
1 低温漂低功耗带隙基准电压设计
带隙基准电压的设计目标，就是建立一个与电源和温度无关的直流电压vref。进一步将该目标分为2个设计问题：设计与电源无关的偏置，获取能抵消温度影响的电压值。图1为其整体设计框图。
1．1 与电源无关的偏置
首先设计与电源无关的偏置。考虑采用2个nmos管和电阻做近似的电流镜做偏置，并充分利用电流镜的“电流复制”特点，设计一个简单的电流产生电路，如图2所示。在这个电路中，因为栅漏短接的mos管都是由一个电流源驱动，所以i0和i1几乎与电源电压无关。同时，2条支路的电流关系是确定的，只要已知i0，便可由宽长比得到左边支路电流的大小。忽略沟道长度调制效应的影响，支路电流的比值和mos管宽长比的比值成正比。为了唯一确定电流，加入电阻r1。则有：vgs1=vgs2+i0r1，忽略体效应，有：
由式(1)可见，输出电流与电源电压无关，但仍与工艺和温度有关。
1．2 与温度无关的基准
带隙基准的核心，就是将有着正负相反温度系数的电压以适当的系数加权，得到零温度系数的电压量。本设计中用到的负温度系数电压，是pn结的正向电压，也就是bjt的发射结正偏电压。双极型晶体管的集电极电流和基极发射极电压的关系：
式中，is是双极型晶体管的饱和电流，eg是硅的禁带宽度。当vbe≈0．75 v，t=300 k时，。注意，该温度系数本身与温度有关，可能会引起误差。
相同的双极型晶体管在不等的电流密度下工作，它们的基极发射极电压差值与绝对温度成正比，利用这个关系，建立一个带正温度系数电压。假设bjt的饱和电流，is1=is2=is，集电极电流分别为ni0和i0，那么：
根据以上分析，完全可以利用这2种带有相反温度系数的电压设计一个零温度系数的电压基准。假设，已知，取α=1，则只需βlnn≈17．2，即可满足，实现了零温度系数基准电压vref。
1．3 参数确定
电路整体设计如图3所示。
其输出电压的表达式：
式中，n是vq1的bjt并联数，m是流经r2和r1的电流比值，等于vp3和vp1的宽长比。
在调试电路时应该注意，vp1、vp2、vn1、vn2和电阻组成提供偏置的电流源，因此vp1和vp2、vn1和vn2应该尽量匹配，对称设计，且管子尺寸稍大。同时，使vn1和vn2的源极电压值尽可能相等。
在原理设计中，多次进行理性化估计，实际测试中存在的误差在所难免。为了达到最优效果，必须在测试中不断修正电路参数，然后再做测试。同时也应意识到，任何一个电路的各个指标都是相互影响相互制约的，应根据需要调整，以保证整体设计效果。
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