带隙基准原理及解释(带隙基准的三个简并点)
对于带隙基准,有两个需要极其关注的问题,一个是精度问题,另一个是启动问题,如果这两点存在问题,其他一切指标都是空谈。今天这篇文章主要探讨带隙基准的启动问题,探讨的这种带隙基准是低压带隙基准,这种带隙基准存在三种稳定工作的简并点,接下来,就首先分析者三种工作状态是如何产生的,如何在仿真中将其寻找出来,如何设计启动电路去规避无法启动的风险。

- 1.带隙基准工作原理
假设电路正常工作,那么可以简述其工作原理:运放处于闭环工作状态,同相端与反相端电压相同。M0和M1的尺寸相同,则流过Q0和Q1的电流相同,并且Q0和Q1的尺寸比是1:N,那么Q0和Q1的基极电压差时VTlnN,这个电压最终落在R0上。所以,流过R3的电流等于流过R0和R2的电流之和,则R3上的电压为

调整R2和R0的比例可以调节温度系数,调整R3和R2的比例可调整输出电压。
- 2.简并点分析
以上只是正常工作状态,实际上,电路还存在另外两个工作状态。
(1) 流过M0、M1、M2的电流都是0,此时运放的同相输入端和反相输入端电压也都是0,如果运放是NMOS输入的,那么运放的输出接近电源电压,这一电压正好M0、M1、M2处于截止状态,因此这也是一个可能的工作状态。
(2) 在上电时,M0、M1、M2流过微小电流,此时的Q0和Q1还在截止区,呈现一个高阻状态,电流会优先流过R1和R2,在R1和R2上建立起一个不足以使三极管导通的电压,此时运放也输出一个中等的电压来维持这个状态。
所设计的启动电路,必须要覆盖尽可能多的PVT,确保在各种状态下,启动电路都能有足够的强度使带隙基准进入正常的工作状态。
- 3.简并点仿真

断开BG环路,断环处扫描DC,并检测输出端的DC,二者交点即为简并点。这样做的理由是:有几个简并点,也就意味着带隙基准的电流镜有几种电流,有几种电流就对应有几种电流镜栅压。所以扫描栅电压,栅电压与运放输出电压一致,就是一个稳定的工作点。

A点,栅极电压为1.7V,此时PMOS完全关断,对应的基准电压接近0。B点,栅极电压为1.35V,此时PMOS管导通,但是电流不够大,三极管仍然是关断的,此时得到的电压是介于0和期望电压之间的一个电压。C点,栅极电压为1.2V,此时PMOS产生的电流足够大,三极管也处于导通状态,是我们所期望的工作点。
- 4.启动电路实例
启动电路有两种思路,一种是在上电时向三极管注入电荷,另一种是在上电时对M0、M1、M2的栅极迅速放电。
(1)上电时向三极管注入电荷

如果在上电时,电路处于零电流工作状态,那么M8的漏极就是地电压,此时M12导通,向三极管注入电荷。电路正常工作后,若R4足够大,那么M8的漏极电压就比较高,M8进入线性区,M12入截止区,不再对带隙基准电路产生影响。这里存在的一个要点就是,要保证在各个PVT条件下,M12的稳定状态都是截止态。

加入启动电路后仿真简并点,就可以发现,电路只有一个工作状态,这说明启动电路有效。
(2)在上电时对M0、M1、M2的栅极迅速放电

M9和M24构成一个反相器,如果输出的基准电压很低,那么M10就会导通,从而将M0、M1、M2的栅极电压拉低
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