带隙核心电路中输出电流值 - 带隙基准源电路的基本原理及仿真分析

假设Mp1，Mp2和MN1，MN2均为相同的对管，将PTAT电流Ip3加到基极-发射极电压上，因此输出电流为：

    

    PTAT基准电流IMp3PTAT(与绝对温度成正比)通过R3产生输出基准电压。

2．2 自偏置电路及反馈补偿电路
    为了提高电源电压抑制，该设计对核心电路和运放的电源电压进行了调节，由MOS管的电流电压特性可知，当VDS≥VG-VTH时器件工作在饱和区，有：

    

    对其求导得：

   

式中：VGS为栅源电压；VTH为阈值电压。

因为栅漏短接，故MN3，MN5一定处于饱和状态，它们均可作为一个阻值由过驱动电压控制的等效电阻，定义MN3和MN5的等效电阻分别为RN3和RN5，则可将MN3与R3视为并联电阻Rx，如果Vout增大，则RN3减小，并联电阻Rx减小，从而使PTAT基准电流通过MN3分流一部分；同样原理适用于MN5和MN6，达到抑制补偿输出电压，使基准源输出电压稳定。其中Mp4和Mp5为MN3提供偏置电流，但使用这种“自偏置电路”会带来电路的启动问题。

2．3 启动电路
    在基准源电路中需要启动电路使得系统上电时电路能够进入正常的工作状态，而自偏置放大器电路往往也存在启动问题。当电路处于非工作状况时，放大器的输入端电压初始值为零，而输出电压由于寄生电容的存在可能位于一个比较高的电势，当电源接通后不但放大器的偏置电路为截止状态，而且基准源的核心电路也无法正常启动。本文设计的启动电路则可以同时满足放大器和核心电路的启动要求，它由Mp6～Mp8，MN7，MN8，R4，R5构成。

当电源接通后，启动电路提供了放大器输出端到地的通路，从而拉低了核心电路中Mp1～Mp3的栅极电势，放大器的偏置电路开始工作，同时基准源的Mp1和Mp2支路中流过的电流也随之增大，使得放大器的输入端电势上升，这样放大器进入高增益工作区，带动基准源电路开始正常工作。
         电路刚启动时，使Mp7和Mp8饱和，保证MN8栅极有足够高的开启电压，当MN8导通时，一个小的导通电流流过运放，启动带隙电路。电路开启后，虚框b部分电流镜像电路将输出电流进行镜像，给启动电路提供偏置，偏置电流使Mp6导通，从而MN7的栅极电压升高，MN7导通，由于MN8的电阻很大，导致MN7漏极电压很低，从而关断MN8，使启动电路(虚框c)两端电压降低而停止工作。

3 仿真结果与分析
    图3说明了该基准源对电压的抑制效果。根据仿真数据，在所取5～10 V的输出电压范围经计算基准电压电源抑制比为82 dB。图4为Cade-nce下的温度仿真曲线，根据所要求取的温度范围在-25～+120℃，计算得温度系数为：TCF=7．427 ppm／℃。图5为整体电路的版图设计，面积近似为0．022 mm2。

 

4 结语

    本文通过对传统带隙基准源的基本原理分析，设计的基准电路工作电压为5～10 V，通过饱和状态MOS等效电阻对PTAT电流反馈补偿，得到了82 dB的电源电压抑制比和低于7．427 ppm／℃的温度系数，版图面积0．022 mm2。该电路产生的基准源电压基本满足普通应用要求。