一种带自动消除运放失调的高精度基准电压源设计

苏 黎 伍莲洪 尹 浩

成都嘉纳海威科技有限责任公司 四川成都 610000

【文章摘要】

本文介绍了一种带自动消除运放失调的基准源。通过引入时钟信号来消除运算放大器的输入失调电压，提高基准源的精度和温度特性。仿真结果表明，在TSMC 的0.18 μm 工艺下，该基准源能将7 mV 的运放失调电压减小为140μV，最大可消除20mV 失调。基准源的基准电压：1.252V，输出电压纹波：6.5 μV，温度系数：3 ppm/℃ ,PSRR ：-30dB@4MHz。

【关键词】

带隙基准; 运放失调; 低温漂; 电压源; 高精度

0 引言

基准源广泛应用在混合集成电路设计中，随着电路系统的复杂程度越来越高， 对其性能要求随之更高。传统的带隙基准电压源的工作原理是利用具有负温系数的PN 结二极管的正向电压VBE 和具有正温系数的热电压VT 互相补偿实现；图1 为传统带隙基准电压源的电路原理图。

图1 传统带隙基准电压源

由于运算放大器OP 的钳位作用，使得OP 输入两端的端电压基本相等，即VX=VY+VOS， 由于VX=VBE1， VY=VBE2+I2•R3+VOS，其中，VOS 为OP 的输入失调电压。根据双极型晶体管的工作特性可得基准电压VREF ：

(1)

VT 为热电压具有正温系数，由于VBE 呈负温系数，通过调节n 和式（1）中R2/ R3 的比值就可以得到具有零温度系数的VREF。然而，实际VOS 不等于零，这就不可避免的对VREF 带来一定的误差，从式（1） 可知，VOS 被放大了1+R2/R3 倍；因此，消除VOS 便成了获得高性能和高精度基准源的关键环节。

1 基准源工作原理及电路实现

图2 为本文所设计的基准源的系统电路图。

1.1 基准电压的产生方式

如图2 所示，由引言的描述可推出VREF 的表达式为：

（ 2）

若消除VOS 后，则式（2）可以改写为：

VREF=VBE3+(R4/R3) 2NVTlnn （ 3）

式（3）所示即为本文设计的基准电压源的输出电压需要的设计值表达式。

1.2 基准源启动电路

图2 中的启动电路由一个比较器以及电阻串分压电路组成。其工作原理为： 当电路上电或不能启动时，电路中的Z 点的电压为零。启动电路通过比较器输出VSTART 控制N7 和N8 使电路摆脱“简并” 偏置点并摆脱后不影响基准其余电路工作。

1.3 基准源时钟产生及控制电路

时钟产生及控制电路的原理是通过一个三级环形振荡器产生四路方波信号VCTRL_P、VCTRL_N、VOC_P、VOC_N，其时序图如图3 所示。

图3 控制信号时序及VREF 变化图

1.4 基准源的运放失调电压消除方式

失调电压消除是通过如图2 中失调电压消除电路以及运放一起在时钟的控制下实现的。为了方便分析我们将实际的运放用图2 中的理想运放OP 和一个值为VOS 的失调电压源来代替。根据时序可以将VOS 的消除过程分为两个阶段：检测阶段和消除阶段。

如图3 中所示，在起始段基准源工作在正常工作模式，此时图2 中， P1 和N6 导通， N5、P2 和P3 关断，OP 将其第一输入的正输入VINP 和负输入VINN 两点钳位，此时OP 的 VINP 和VINN 相等，VINP 和X 点电压VX 相等，而VINP 和Y 点电压VY 差为VOS，即VX 和VY 有VOS 的压差。由于VOS 这个差值， VREF 比设计值稍微偏高一些。VFB_P 和VFB_N 的初始电平分别是由P2 和P3 的漏电流及C2 和C3 的大小确定；因P2 和P3 为相同的管子以及C2 和C3 的大小相同，则VFB_P 和VFB_N 为相同的值。

检测阶段如图3 中“阶段1”所示，此时图2 中， P1 和N6 关断， N5、P2 和P3 导通。此时OP 的 VINP 接Y 点，使得VY 与VINP 相等，这时OP 的VINP 与VINN 相差VOS，并且由于是将VINP 从X 点切换到Y 点，所以VINP 变化量为之前X、Y 两点之间的电压差VOS，即VINP 比VINN 电压大VOS ；由于VINP 和VOC_IN 极性相同，所以VOC_IN 升高，VFB_P 跟随VOC_IN 升高并和VOC_IN 相同，但由于VFB_N 跟随前一阶段的VOC_IN，所以VFB_N 不变。所以该阶段就将失调电压VOS 导致的VOC_IN 的变化量存储在电容C2 和C3 上。

消除阶段如图3 中“阶段2”所示，此时图2 中， P1 和N6 导通， N5、P2 和P3 关断，即VINP 接X 点，Y 点恢复以前的连接，此时X、Y 两点的电压瞬时相等；这时，因为OP 的钳位作用将使VINN 上升到

图2 基准源的系统电路图012

电子科技

Electronics Technology

电子制作

和VINP 一样的值，同时让VY 的电压升高并让VOC_IN 变低，但是由于P2 和 P3 关断，所以VFB_P 和VFB_N 值不变，均保持在上述检测阶段时的值，即VFB_P 大于VFB_N，反馈到OP 输出后导致VOC_IN 变低，从而能阻止VINN 变高，使OP 的VINP 比VINN 的电压高，让X、Y 点之间的电压差VXY 减小； 而VXY 的减小通过反馈会将检测阶段开始前VREF 输出的初始值降低，并且将导致VX、VY、VINN、VINP 在保持差值的情况下整体降低。

如图3 所示，经过一定的时序将VOS 转换为OP 两反馈输入端VFB_P、VFB_N 之间的压差，从而保证OP 输出不受VOS 影响，最终让VREF 与设计值相吻合。

2 基准源后仿真结果

在TSMC 的0.18μm 工艺下，温度为27°时，本文所设计的基准源的瞬态输出曲线如图4 所示；性能参数如表1 所示：

表1 基准的性能参数

3 结语

本文所设计的带自动消除运放失调功能的基准源的技术方案通过时钟信号进行控制，将运放的输出反馈到其输入，以消除运放自身的输入失调电压，使基准源所的输出不会因为运放输入失调电压存在而影响到其精度和温度特性，提高基准源的性能。

【参考文献】

[1]H.Atrash,Arlo Aude."A bandgap reference circuit utilizing switching to reduce offsets and a novel technique for leakage current compensation . " I E E E J o u r n a l o f S o l i d - S t a t e Circuits,2004,297-300

[2]Y.P.Tsividis.Accurate analysis of t e m p e r a t u r e e f f e c t s i n I C ~ V B E characteristics with application to b a n d g a p r e f e r e n c e s o u r c e s . I E E E J o u r n a l o f S o l i d - s t a t e C i r c u i t s Conference,1964,vol.7:32-33

【作者简介】