供电的低噪声带隙基准电压源.docx

1V供电的低噪声带隙基准电压源（节选）
KeithSanbornIEEE成员
DongshengMaIEEE成员
VadimIvanovIEEE成员

摘要：本文将会提出一种新的工作电压1V以内的带隙基准电压源，和以前的设计相比，它具有更低的输出噪声，同时对不同的制造过程有着更好的兼容性。这项技术将通过使用反向带隙电压原理（RBVP），使带隙基准工作在1V的低压下。与此同时，在不使用外置滤波器的情况下输出噪声也控制在很低水平。虽然设计时采用的是0.5um的BiCMOS工艺，但是它能与绝大多数的CMOS和BiCMOS工艺很好地兼容。在所有的测试模块和空闲模块中，一个完整的晶圆面积大约是0.4mm2。
理论分析和实验结果都显示，在20uA的偏置电流下工作时，输出噪声的频率密度为40nV/Hz。此外，在0.1—10Hz频带下的峰到峰输出噪声仅为4uV。室温下，未经调整的电压基准的平均输出为190.9mV，在-40℃到125℃之间的平均温度系数在11ppm/℃附近，误差不超过5ppm/℃。

关键词：BiCMOS低噪声低压噪声测量峰到峰噪声
亚1V带隙基准电压温度系数1V供电

正文：

介绍
电压基准在模拟电路或者数模混合电路（例如数据整流器和电压调节器）是一个关键性的模块。下面是一个理想电压基准的一些关键要求：
(1)输出电压与温度无关；
(2)输出电压与输入无关；
(3)可以在一个较宽的输入电压范围内正常工作；
(4)输出电压易被测量。
一个典型的可以满足上述要求的基准就是带隙基准。据作者所知，这种基准最早于20世纪70年代初在NationalSemiconductor杂志中出现，是由Widlar在研究LM1095-V输出电压调节器时提出的。通过改进，基准的输出电压能被调整到10V和2.5V。在这两个方案中，我们都是通过把一个与绝对温度互补的电压（CTAT）和一个与绝对温度成正比的电压（PTAT）相加，产生一个与温度系数一阶线性相关的电压，并作为带隙电路的输出电压。
这个与温度系数一阶线性相关电压的产生，可以用表一中所示的带隙基准来解释，这个电路的输出电压为
（1）

图一.采用双极性NPN管的带隙基准电压源
这里的是管和管发射极面积的比值。（1）式中的和分别是CTAT和PTAT电压。电路中各个电阻的阻值和上述的数值应该被恰当得选择，使得CTAT和PTAT电压对温度的影响恰好能够相互抵消。当温度影响被抵消之后，（1）式中的值将约等于0开尔文时候硅的频带间隙电压1.2V。
尽管上述带隙基准能够满足之前所提到的所有典型要求，它仍然在最小电源电压方面有个缺点。假设表一中放大器的最大输出过驱动电压为200mV，那么此带隙基准所需要的最小电源电压为
（2）
随着新制造工艺下最小特征尺寸的不断减小，在这些工艺下工作的电路元件所需要的电源功率也必须要相应减小，这样才能满足更小的击穿电压需求。因此，可以在1.4V电源电压以内工作的电压基准有着非常广泛的需求。
进来，一种新的可以解决低压供电问题的电压基准在一些文献中被提出。这些基准通过产生一个与温度无关的电流，并使它的镜像通过一个电阻，以此产生出一个低于1V的输出电压。这些电路不仅可以再在1V的供电下正常工作，而且在BiCMOS和CMOS工艺下都可以实现。
但是由于电路拓扑结构中MOS电流镜的存在，这种基准在平带下有着较高的噪声输出。另外一种通过不同MOS器件的阈值电压加权所产生的低压基准，则使用一个外置的滤波电容来减小噪声。可是这种方法也难以实现，因为所需要的滤波电容太大（超过100nF），以至于很难被集成到芯片里。除此之外，由于会增加系统的成本和体积，我们应当尽量避免使用外置零件。
本文中，一种新的带隙基准将被提出，它将能在低于1V的电源电压下进行工作。此外，在没有大容值外置滤波电容的情况下，它仍然能很好控制输出噪声。它在BiCMOS和CMOS工艺下都可以很好地兼容。本文的其他内容结构如下。在第二章，我们将回顾一些以前的低压带隙技术，两种低于1V的基准将被详细讨论，分别是电流模式基准和电压模式基准。我们会分析这两种基准所采用的技术和关键性问题。在第三章，我们将给出所设计的方案，包括详细的原理分析和电路图，这一章的后半部分还会有一个和以前技术的简略比较。电路的噪声和功耗的分析则在第四章，这一章同时还提出了相应的优化方案。第五章是仿真结果，用来验证提出的设计方案。第六章主要是研究成果的总结归纳。

二、经典低压基准设计方案
1.电流模式基准
一个传统的带隙基准所需要的输入电压通常要高于其输出电压1.2V。一些文献中已经提出了新的电流模式基准，它们可以在低于1.2V的供电电压下正常工作，同时它们在BiCMOS和CMOS工艺下都可以被实现。通过将CTAT电流和PTAT电流相加，电流模式基准能够产生产