带隙基准广泛应用于模拟集成电路中。带隙基准电路输出的基准电压可以为模拟集成电路提供稳定的参考电压或参考电流,因此,要求带隙基准电路具有较强的抗电源电压波动干扰的能力、环境温度急剧变化的能力,即对带隙基准电路的电源电压抑制比、温度漂移有明确的指标要求,同时需要尽可能的降低带隙基准电路的电路复杂度和工艺加工成本。
Q1、Q2、Q3面积对带隙基准电路电源电压抑制比和输出温度稳定性产生显著的影响。当Q2、Q3面积因子为8,令Q1面积因子由1增大至10。当Q1面积因子为1时,带隙基准输出基准电压的电源电压抑制比较高,且其温度稳定性较好。当Q1面积因子小于1时,输出基准电压高于1,且输出基准电压变化不大。当Q1面积因子大于1时,虽然电源电压抑制比较低,但是其输出基准电压较低,小于1V。对Q2、Q3的面积也采用类似的方式进行优化。当Q2、Q3面积因子分别为8和1时,带隙基准输出基准电压的电源电压抑制比较高,且其温度稳定性较好。
M3、M4、M5宽长比对带隙基准电路电源电压抑制比和输出温度稳定性产生显著的影响。当M4和M5的宽长比为5:1时,令M3的宽长比由1:1变化至10:1。当M3宽长比为5:1时,带隙基准输出基准电压的电源电压抑制比较高,且其温度稳定性较好。当M3宽长比大于5:1时,输出基准电压随着电源电压变化波动较大,不满足电源电压抑制比的要求。当M3宽长比小于5:1时,虽然电源电压抑制比较低,但是其输出基准电压较低,小于1V。利用类似的方法对M4、M5进行优化。当M4、M5宽长比为5:1时,带隙基准输出基准电压的电源电压抑制比较高,且其温度稳定性较好。
M1、M2宽长比对带隙基准电路电源电压抑制比和输出温度稳定性产生显著的影响。当M2宽长比为10:1时,令M1宽长比由1:1变化至10:1。当M1宽长比为5:1时,带隙基准输出基准电压的电源电压抑制比较高,且其温度稳定性较好。当M1宽长比小于5:1时,输出基准电压随着电源电压变化波动较大,不满足电源电压抑制比的要求。当M1宽长比大于5时,虽然电源电压抑制比较低,但是其输出基准电压较低,小于1V。当M1宽长比为5:1时,令M2宽长比由5:1变化至12:1。随着M2宽长比的增大,带隙基准电路输出参考在不同的电源电压下均有所增大,在不同电源电压情况下dVREF/dVDD几乎保持不变。当M2宽长比为10:1时,带隙基准输出基准电压的电源电压抑制比较高,且其温度稳定性较好。
电阻Rx和Ry对带隙基准电路电源电压抑制比和输出温度稳定性产生显著的影响。随着Rx增大,输出基准电压随电源电压变化的幅度减小。Rx为3KΩ时,输出基准电压随着电源电压变化波动的范围进一步减小。在电源电压为5V时,Rx为3KΩ对应的输出基准电压随环境温度变化波动的范围较小。当Ry增大为5KΩ,Rx为3KΩ时,带隙基准电路输出基准电压电源抑制比满足基准电压电源抑制比指标要求。当电源电压为5V时,带隙基准电路输出基准电压随环境温度变化波动的幅度较小,其基准基准电压温度稳定性较好。随着Ry增大,通过优化Rx可以使得输出基准电压满足电源电压抑制比和温度稳定性的要求,但此时Ry电阻较大,版图布局较困难,易导致阻值较难控制、工艺难度增大。当Ry为5KΩ,Rx选择1.2KΩ时输出基准电压的电源电源抑制比较高,在较宽的电源电压范围变化,输出基准电压可以达到1.21V±0.005V。同时输出基准电压的温度稳定性较好。图6为仿真得到的基准电压受电源电压和环境温度波动的影响。