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带隙基准（Bandgap）设计与仿真：基于cascode电流镜的电流模BGR

创作时间:

作者:

@小白创作中心

带隙基准（Bandgap）设计与仿真：基于cascode电流镜的电流模BGR

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/qq_45689790/article/details/131378540

前言

此次设计未使用运放，而是采用电流镜结构为基础的Bandgap电路来满足设计指标。主要目标是在保持结构简单的同时满足设计要求。本文供学习参考。

工程文件

该设计的工程文件（原理图+testbench）可从以下链接获取：https://mbd.pub/o/bread/aJaTlZtu

一、设计指标

本次设计的具体指标如下：

电源抑制比（PSR）< -40 dB
线性调整率（LINE）< 2 mV/V
温度系数（TCV）< 10 ppm/℃
静态电流（IS）< 35 uA
输出电压范围：0.6 V ~ 1.2 V

指标分析

本次Bandgap设计选用TSMC 18um工艺，采用电流镜结构为基础。考虑到电源抑制比的要求，需要采用Cascode电流镜来提高性能。对于Cascode结构的采用，需要注意电压裕度的问题。本次设计电源电压为3.3V，对于TSMC18工艺，“pmos3v”晶体管的阈值电压约为0.7V，对于NMOS器件，选取中等阈值电压的“nmosmvt3v”晶体管，其阈值电压约为0.5V。堆叠的MOS管由于衬偏效应，其阈值电压可能更高，甚至达到0.8~1.1V。对于PNP二极管，当IBE = 10 uA时，VBE ≈ 0.7V。因此经过初步判断，采用普通堆叠Cascode电路无法正常工作，需要采用低压的Cascode结构才能满足需求。

考虑到功耗指标，对电流进行分配，Bandgap电路两支路与电流镜复制输出的电流均为10uA。

为方便实现输出基准电压0.6V~1.2V，优先考虑采用电流模结构，通过电流镜复制零温度系数的电流，通过电阻转换成零温度系数的电压输出，通过电阻分压实现多电压输出。

二、电路分析

通过对表1的指标分析，搭建的电路如图2.1所示。

M1-M5构成启动电路，当电源上电时，启动电路让电路在上电时摆脱简并偏置点，使Bandgap电路脱离零状态的工作点，进而稳定在期望的工作状态下。电源上电瞬间，Vbias=0，M1保持关断，节点B为高电平，M3处于导通状态；M4-M5构成线性电流镜，通过复制的电流为节点B充电，帮助Bandgap下半部分电路开启；当Bandgap完全开启，Vbias ≈ 0.7V，M1开启，进而节点B拉低，M3截止，启动电路关闭。

M6-M12与R8-R9构成低压Cascode电流镜自偏置结构，控制M6与M7的电位近似相等，即VC = VD，流过R1的电流为(∣VBE0∣ - ∣VBE1∣)/R1 = ΔVBE/R1，温度系数为正，流过R3的电流VD/R3 = VC/R3 = ∣VBE0∣/R1，温度系数为负，正负温度系数的电流在节点D上合成，进而得到零温度系数的电流，然后通过电流镜复制，零温度系数的电流在电阻上产生零温度系数的电压。假设Cascode电流镜复制比例为1，最终输出的基准电压如式(1.1)所示：

其中M为输出电流镜的复制倍数，设置为1。

其中电路功耗主要有电阻R1确定，电路正常工作时，启动电路关闭，但由于M1的开启，因此仍有部分静态电流IS（分配5uA），Cascode电流镜与输出电流镜均为等比例复制，满足IM12 = IM13 = IM14，R1所在支路电流如式（1.2）所示。

三、仿真测试

3.1 测试电路图

3.2 测试结果

（1）基准温度系数仿真

通过dc仿真，将温度从-40~125℃进行扫描，观察输出波形，温度特性良好，基准温度系数TCV = (Vmax - Vmin)/(Vref × (Tmax - Tmin)) × 10^6 = 8.07ppm/℃，测试结果如图3.1所示。

（2）瞬态启动仿真

通过tran仿真，电源在10ns开始上电，在90ns上升到3.3V观察输出电压，通过图3.2，该电路图可正常启动。

（3）静态电流仿真

固定电源电压为3.3V，对温度从-40~125℃进行仿真，观察所有支路的总电流，如图3.3所示，电流最大31 uA满足设计指标。

（4）线性调整率仿真

通过dc仿真将电源电压从0~5V进行扫描，在正常工作电源电压下，测量输出线性调整率SLINE = (Vmax - Vmin)/Vref × 100% = 1.95mV/V

（5）电源抑制PSR仿真

通过AC仿真，在电源电压加小信号波动，观察输出，测量PSR，通过图3.5可知，在低频为PSR = -48.17dB，满足设计指标。

四、测试结果

本次Bandgap设计，输出三个基准电压，分别为0.4V、0.8V、1.2V，通过仿真测得相关参数，结果汇总如表2所示。

五、总结

本次bandgap设计，通过基于低压cascode电流镜结构的电流模结构，实现预设性能指标，但性能仍有待提升，由于cascode电流镜结构需要更大的电压裕度，因此对低压应用有严格限制，可换用电压模+Buffer结构对相关指标进一步优化。或者采用运放结构（但是电流应该合理分配，甚至运放中一些管子可以工作在亚阈值区，满足低功耗要求）。