本文基于BrokaW带隙基准电压源的结构设计了一种简单的基于LDO稳压器的带隙基准电压源。我们使用Cadence的Spectre仿真工具对电路进行了仿真。在温度范围为-20℃至125℃时，基准电压的温度系数约为17.4ppm/℃，输出精度超过所需的5‰。在1Hz至10kHz的频率范围内，平均电源抑制比(PSRR)为-46.8dB。该电路具有良好的温度特性和高精度输出。
CMOS带隙基准电压源不仅能够提供系统所需的基准电压或电流，而且具有低功耗、高集成度和设计简便等优点，在模拟集成电路和混合集成电路中得到广泛应用。带隙基准电压源为LDO提供了准确的参考电压，是LDO系统设计中的关键模块之一。
基准电压的精度直接影响输出电压的准确性，因此高精度基准参考电压电路对LDO稳压器至关重要。
LDO稳压器的工作原理如图1所示。该结构主要由误差放大器、电阻反馈网络、参考基准电压和调整管组成。一旦基准电压源正常工作，它会产生一个精确的参考电压，输入到误差放大器的同相端。分压电阻网络对输出电压进行采样，并将反馈电压输入到误差比较器的反相端。误差放大器放大基准电压与反馈电压之间的差异，其输出直接控制调整元件，通过改变调整元件的导通情况来控制稳压器的输出电压。当反馈电压小于基准电压时，误差放大器的输出控制调整元件以使更多电流流过，从而提高输出电压。反之亦然。
根据上图可得：
Vout = (1 + R3/R4) * Vref (1)
2.设计带隙基准电压源
2.1 带隙基准的基本原理
产生基准电压的目标是建立一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压。带隙基准源的原理是通过抵消负温度系数和正温度系数来实现温度补偿。其基本原理如图2所示：其中Vbe具有负温度系数，而VT具有正温度系数，将Vbe和VT按一定比例求和即可得到零温度系数的基准输出Vref。
2.2 Brokaw结构的带隙基准
图3展示了一个简单的Brokaw结构带隙基准电压源。Q4与Q5的发射极面积之比为N:1。M2与M3构成电流镜结构，并且它们的宽长比相同。这使得流过Q4与Q5集电极的电流相等，从而我们可以得到如下关系：
从上述式子中可以看出，BrokaW结构的带隙基准相较于前面的结构最大的优势是将所需的R2值减小了一半，并且直接在产生PTAT电流的支路上生成带隙基准电压。
这不仅简化了电路结构，还降低了静态功耗。此外，减小R2的值还有助于降低输出电压的噪声。由于以上优点，该结构变得非常流行。
2.3 带隙基准电压的实现电路
实际的电路图如图4所示。带隙基准电压的整个实现电路包括启动电路和Brokaw结构带隙基准。对于基准电压源电路，启动是一个需要考虑的问题。当电源上电时，所有晶体管都不传导电流，因为电路的两个支路允许零电流通过，晶体管可能处于永久关断状态，因此需要增加电路以摆脱这种状态。启动电路的目的是在上电过程中使电路稳定工作，并在系统正常运行后断开以降低功耗。
启动电路由M1～M2组成。电路上电时，A点电位迅速升高，导致Mg导通，从而拉低B点电位，使电路启动。同时，M1导通，M2和M7也导通，将A点电位拉低，使得Mg截止，启动电路关闭，电路稳定在正常工作点。
2.4 电路仿真结果
该电路基于1.0μm HVCMOS40V/5V标准CMOS工艺模型，并使用Cadence的Spectre进行仿真。仿真结果如下所示：
根据图5，根据温度系数计算公式可得到在-20～125℃温度范围内的温度系数为17.4ppm/℃，表现出良好的温度特性。
3 LDO缓冲器电路结构设计
3.1 运算放大器设计
根据级联放大单元的数量，运算放大器可以分为单级、两级和多级运放三类。单级运放结构相对简单，但增益较低；两级运放能够实现较高的性能和稳定性，在实际应用中广泛使用，但在速度和频率特性方面可能略逊于一级运放。多级运放是指三级及以上的运放，它们可以实现更高的增益，但需要复杂的补偿电路以确保稳定性。全差分运放是指输入和输出都是差分信号的运放，与普通的单端输出运放相比，具有以下优点：更低的噪声、更大的输出电压摆幅、更好的共模噪声抑制和更好的偶数阶谐波失真抑制。因此，高性能的运放通常采用全差分形式。
一般常用的三种全差分运放包括直接套筒式共源共栅运放、折叠共源共栅运放和简单两级全差分运放。通过比较，为了减小直接套筒式共源共栅结构对运放输出摆幅的限制，我们选择了折叠共源共栅结构。折叠结构相对于直接套筒式结构而言，功耗略高，增益稍有降低，但它的输出电压摆幅远大于前者，缓解了增益、电源电压和输出摆幅之间的矛盾。因此，折叠共源共栅是一种广泛应用的运放结构。
由于设计的电路将应用于电源芯片系统中，考虑到速度等方面的综合因素，我们选择了折叠式共源共栅运算放大器，并且由于运放在基准中用作负反馈，所以选择了单端输出的折叠运放。具体电路如下图所示：
3.2 LDO缓冲器电路
将上述带隙基准电路、运算放大器、电阻反馈网络和LDO缓冲器结合在一起，即可得到图1所示的典型LDO电路。根据输出公式：
通过调节R3和R4的比值，可以获得所需的基准电压2.5V。从图7可以看出，基准输出电压的精度高于5‰，满足高精度要求。
4 结束语
对于LDO稳压器来说，基准模块有着较高的精度要求。从仿真结果可以看出，在-20～125℃的温度范围内，基准电压的温度系数约为17.4ppm/℃，基准电压的输出精度高于5‰。
