一种实用的用于音频功放的带隙基准电路

　　摘要：基于传统的带隙基准电路结构，设计了一种实用的结构简单的带隙基准电路，为音频功率放大器提供基准电压，同时设计一启动电路，能快速地使基准电压建立。设计采用0.18μm1P4MBCDMOS工艺，电源电压是音频功率放大器中低压差线性稳压器输出的3.3V。CadenceSpectre仿真表明，tt模型下，室温输出1.26417V，不同工艺角模型下，温度在-40～150°C内变化，基准电压有5%的偏差。
　　关键词：带隙基准；启动电路；电源抑制；实用电路
　　中图分类号：TN710?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）20?0145?03
　　随着集成电路的发展，电路对精度的要求越来越高，由于带隙基准的输出电压与电源电压、工艺参数和温度的关系较小[1]，所以被广泛应用于电路提供稳定的参考电压。在电源管理和音频功放等数/模混合电路中，噪声干扰使得电路必须具有高电源抑制比的能力[2?5]。
　　本文基于传统的带隙基准电路结构，设计了一款结构简单的带隙基准电压源，分析了运放失调电压对基准电压源精度的影响和影响基准电压源的电源抑制能力的相关因素。基于分析结论，通过采用大尺寸输入对管的运放和精确的版图匹配设计来减小运放失调电压的影响；通过选取高电源抑制比能力的运放和采用音频功放中LDO输出的稳定3.3V给基准电路提供电源的方式，来改善基准电压源的电源抑制能力；同时设计了一款启动电路，能快速地使基准电压建立。
　　1电路设计
　　带隙基准电压源的结构如图1所示，VDDS为音频功放中LDO输出的稳定3.3V，Vbe为VDDS经过电阻分压所得，电流源I是通过音频功放中基准电流源产生的基准电流镜像所得。该带隙基准电压源由两部分组成：基准源核心和启动电路。
　　1.1基准源核心
　　基准源核心电路由Q1，Q2，R1，R2和AMP组成，其中Q2为8个Q1并联构成。基准工作时，假设运放AMP的输入失调电压为VOS，VA=VB+VOS，可推算出ICQ2的表达式如下：
　　在不考虑运放失调引入的分量下，选取合适的[R1R2]可以得到某个温度下的零温系数的基准电压。运放的失调电压VOS对基准电压精度的影响，可通过运放的大尺寸输入对管和精确匹配的版图设计来减小。
　　运算放大器AMP的结构[6]如图2所示，因为A，B两点电压较低，所以运放采用P型对管输入的两级米勒补偿放大器的结构，同时加入了消零电阻，P型输入对管选择大尺寸器件以减小运放的输入失调电压，提高基准的精度。
　　比较器CMP的结构
　　1.1.1反馈极性
　　在图1的基准源电路中，存在两个反馈回路：节点A经AMP，Q2，R2回到A点形成正反馈；节点B经AMP，Q1回到B点形成负反馈。正反馈系数为βP，负反馈系数为βN，分别由下式给出：
　　因为[βP<βN]，所以基准环路是负反馈的。
　　1.1.2电源抑制分析
　　图3为基准电压源的小信号图，估算由电源VDDS的微小变化量Vdds所引起的基准电压VREF的变化量Vref。定义PSR为VREF的电源抑制能力，其表达式为PSR=[VrefVdds]，运放AMP的直流增益为AV，电源增益为Add，运放的电源抑制比为PSRR，PSRR=[AvAdd]。
　　根据基准电压源的小信号图可以推算PSR的表达式，推算过程如下。
　　因为gmro=[ICVTVAIC=VAIC]为常数，且R1，R2的比值一定，所以基准电压VREF的PSR只和运放AMP的PSRR有关，运放AMP采用的P型对管输入的两级运算放大器结构，其PSRR很高[7]，所以基准电压VREF的PSR性能较好。
　　1.2启动电路
　　电路上电后，可能存在两种稳定的工作状态，一个是零电流工作点，一个是期望的正常工作点[8]。为了保证电路能够正常工作，需要设计启动电路。图1中基准源的启动电路由比较器CMP，Q3，Q4，M1，R3和电流源I组成。工作原理是：上电后，若电路处于零电流点，则VREF=0，VREF
　　2仿真结果
　　采用0.18μm1P4MBCDMOS工艺，电源电压为音频功放中LDO输出的3.3V。因为电容对基准电压直流值影响不大，故只用电容的典型模型，MOS管、电阻和BJT用不同的工艺角组合，在不同的工艺角模型和温度情况下，对基准电压VREF进行仿真。