基于LDO稳压器的带隙基准电压源的设计

【摘要】基准模块是LDO线性稳压器的核心部分，它是影响稳压器精度的关键因素之一。本文针对LDO线性稳压器对基准模块一方面有较高的精度要求，另一方面又有较低静态电流要求的矛盾设计了一款简单实用的电压基准电路。仿真结果表明该电路在-40～140℃的温度系数为7.7?10-6℃，低频时的电源抑制比可达-76dB，基准源电路的供电电压范围为2～4.5V。

【关键词】带隙基准源；LDO稳压器；温度系数；电源抑制比

1.引言

随着电子技术的高速发展，DC/DC变换器已广泛应用于便携式电子系统中，如笔记本计算机、蜂窝电话、寻呼机、PDA等。而低压差LDO（Low Drop-out）属于DC/DC变换器中的降压变换器，比传统的线性稳压器有更高的电源转换效率，而比开关式稳压器有更简单的结构、更低的成本和更低的噪声特性，广泛应用在锂电池充电以及低压数字电路电源等场合。带隙（Bandgap）基准电路由于具有较高的精度已被广泛应用在各种模拟集成电路中。基准电压的精度直接影响输出电压的精度，因此高精度基准参考电压电路是LDO稳压器的的关键模块。

典型的LDO线性稳压器的系统框图如图1所示。主要由调整元件（Pass Element）、参考基准电路（Reference）、误差放大器（EAMP）及采样电阻网络（RS1及RS2）等组成。其工作原理是：电路上电后，启动电路使电路尽快上电启动，误差放大器的同相输入端输入由采样电阻RS1及RS2对输出电压VO采样后的采样电压VP，且VP=Vout·RS·[1/（RS1+RS2）]；反向输入端输入带隙基准模块产生的带隙基准电压VREF，误差放大器的输出驱动调整元件，通过改变其导通电阻，最终实现稳定输出，输出电压Vout为：

具有良好性能的带隙基准电路必须保证在一定的范围内随着电源电压、工艺参数及温度的变化而发生极小的变化。虽然通过复杂的电路设计可以使得设计的基准电压具有极小的温度系数和极高的电源抑制能力，但过于复杂的电路设计会导致电路较高的电流消耗，从而使整个LDO的静态电流增加，效率降低。本文设计了一款基于LDO器的结构较为简单的带隙基准电路，放大器设计为三级放大，具有较高的增益，从而可减小基准电压源温度系数的漂移；经过对放大器偏置电路的精心设计获得较好的电源抑制能力。

2.带隙基准基本电路的结构与实现

带隙基准源发展至今，已取得了许多成就，为了满足不同的要求，有很多种不同的电路构架。其主要工作原理是利用工艺参数随温度变化的特性，产生正负两种温度系数，正温度系数电路的实现一般是用运算放大器使得偏置在不同电流下的两条电路支路电压相等，通过在大电流密度的支路上串联一个电阻就可以得到两个VBE电压之差。而负温度系数则直接使用双极晶体管的基极-发射极的PN结电压。图2是带隙基准的基本电路结构，R1支路产生VBE电压，运算放大器AV使得X点和Y点稳定在近似相等的电压，在R3上就可以得到两个VBE电压之差，然后利用运算放大器的负反馈通过电阻比值把两个电压相加，就可以在放大器的输出端得到基准电压。

对图2进行分析，输出电压为：

从式（2）、（3）中可得到带隙基准电压只与PN结的正向压降、电阻的比值以及Q2和Q1的发射区面积比有关，因此在实际的工艺制作中将会有很高的精度。当基准建立之后，基准电压与输入电压无关合理设置电阻比例和PNP管发射极面积比，可以使正负温度系数相抵消，使带隙基准电压VRE具有接近零的温度系数。

3.本文设计的基准电路图

3.1 带隙基准电路中运放和偏置电路的设计及分析

基于上述原理，设计的带隙基准电路如图3所示。电阻R1、R2、R3和晶体管Q1以及Q2构成带隙核心电路；晶体管M1～M9组成了图3中的运算放大器AV，该运算放大器有三级放大从而可获得较高的增益，较高的放大器增益可确保流过电阻R1和R2上的电流相等，从而可减小由于流过电阻R1和R2上的电流的差别导致的基准电压源温度系数的漂移；M10、M11和电阻R4为放大器提供偏置。

3.2 其他重要组成电路的设计

小宽长比的MOS管M12、M13和电阻R5串连，组成一个等效电阻很大的二极管，构成启动电路；电容C1、C12为补偿电容，同时，C1还兼有输出滤波功能。电路的工作过程如下，当电路刚上电时，电路处于锁定状态，M8截止，启动电路将M9的栅极电压下拉至零，M9导通，产生较大的VRE，同时产生偏置电流，使电路摆脱锁定状态，由于运算放大器的负反馈作用最终将输出电压VREF稳定在由（4）式确定的值上。

3.3 带隙基准电路

该电路设计的新颖之处在于放大器的偏置电路的设计上。从对输入电源Vcc的电源抑制特性上考虑，要提高输出电压VREF的电源抑制比，就需要提高负反馈运算放大器的电源抑制比。图3设计的偏置电路中，若去掉晶体管M11，同样可以产生偏置，但此时偏置电流与电源电压直接相关，使得整个电路的电源纹波抑制能力差。增加了M11管后，通过使用电路产生的基准电压VREF来产生电路的偏置电流，从而可大大提高电路的电源纹波抑制能力。

4.性能仿真验证

表征基准电压源性能的主要参数有基准电压温度系数以及基准电压对电源变化的抑制能力包括电源抑制比和电压调整率。高精度基准要求较小的温度系数和强的电源抑制能力。

根据以上分析，使用Cadence Spectre对电路进行仿真，图4为带隙基准源温度特性曲线仿真结果。从图4可以得出，由温度系数ar（表示由于温度变化引起输出电压的漂移量）的计算公式：

温度从-40～140℃变化时，温度系数为7.7?10-6/℃，电路表现了良好的温度特性。

图5为电压源抑制比（PSRR）仿真结果，可以看出在低频时，基准源电路的电源抑制比可达-76dB。

图6为电源供电电压扫描仿真结果，从图中可以看出，电路能够正常启动的正常启动的最低电压为1.5V，同时考虑温度和模型变化时，电路的正常工作范围为2～4.5V。

5.结论

本文针对LDO线性稳压器对基准模块一方面有较高的精度要求，另一方面又有较低静态电流要求的矛盾，设计了一个结构简单实用，性能出色的带隙基准电路。仿真结果表明，基准电压的温度系数较小，电源抑制能力较强。同时，启动电路及偏置电路的设计可以为其他相关电路的设计提供很好的借鉴。

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作者简介：张慧敏，兰州交通大学在读硕士研究生，主要研究方向：模拟集成电路的设计。