摘 要： 介紹了一種低溫漂的BiCMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源及過(guò)溫保護(hù)電路。采用Brokaw帶隙基準(zhǔn)核結(jié)構(gòu)，通過(guò)二階曲率補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種在-40℃～+160℃的溫度變化范圍內(nèi)溫度系數(shù)為25ppm/K、輸出電壓為1.2±0.000 5V的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。電源電壓抑制比典型情況下為72dB。這種用于內(nèi)部集成的帶熱滯回功能的過(guò)溫保護(hù)電路，過(guò)溫關(guān)斷閾值溫度為160℃，溫度降低，安全開(kāi)啟閾值溫度140℃，設(shè)計(jì)的熱滯回差很好地防止了熱振蕩現(xiàn)象。
關(guān)鍵詞： Brokaw帶隙基準(zhǔn)；溫度曲率補(bǔ)償；過(guò)溫保護(hù)；熱滯回
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在集成電路設(shè)計(jì)中，如電源管理芯片、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器，都要求片內(nèi)集成高精度電壓基準(zhǔn)源。由于帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠?qū)崿F(xiàn)高電源抑制比(PSRR)和低溫度系數(shù)，這種電路結(jié)構(gòu)是目前各種基準(zhǔn)電壓源電路中性能最佳的拓?fù)湫问?SUP>[1-2]?？紤]到在一些高精度應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)溫度系數(shù)的要求非常高，故在本設(shè)計(jì)中考慮了以簡(jiǎn)單方式實(shí)現(xiàn)溫度特性的二階曲率補(bǔ)償。
另外，在功率集成電路中，電路耗散的功率大，聚集的熱量會(huì)使芯片的溫度升高，因此必須設(shè)置過(guò)溫保護(hù)電路(OTP)。芯片溫度超過(guò)允許值時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)將功率通路切斷，直至溫度下降至安全工作區(qū)，電路才能重新開(kāi)始工作[3]。本文首先提出了一種無(wú)需運(yùn)算放大器的Brokaw結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)電路，分析其工作過(guò)程和原理，同時(shí)對(duì)溫度特性的二階曲率補(bǔ)償原理和電路實(shí)現(xiàn)作了分析；然后介紹一種帶熱滯回功能的過(guò)溫保護(hù)電路。最后給出了本設(shè)計(jì)基于UMC 0.6μm BCD工藝在Hspice環(huán)境下的仿真分析結(jié)果。
1 帶隙基準(zhǔn)基本原理
帶隙基準(zhǔn)源是根據(jù)硅材料的帶隙電壓與電源電壓和溫度無(wú)關(guān)的特性，通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)將熱電壓VT放大K倍，利用VT的正溫度系數(shù)（室溫下，
）與雙極型晶體管(BJT)基-射極電壓VBE的負(fù)溫度系數(shù)（室溫下，
）相互抵消，實(shí)現(xiàn)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓[1]。適當(dāng)選擇放大倍數(shù)K，使兩個(gè)電壓的溫度系數(shù)完全抵消，即可得到在某一溫度下具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VREF=VBE+KVT。
如圖1熱電壓VT一般由兩個(gè)集電極電流相等而發(fā)射極面積不同的晶體管基-射極電壓之差ΔVBE提供。假設(shè)Q1和Q2為兩個(gè)同質(zhì)晶體管，Q2的發(fā)射極面積是Q1的發(fā)射極面積的N倍，則有ΔVBE=VBE2-VBE1=VTlnN。
帶隙基準(zhǔn)源的誤差主要由運(yùn)放的輸入失調(diào)、有限增益和電流鏡失配等因素引起[2-3]。而這些因素最終都導(dǎo)致兩個(gè)晶體管集電極電流不相等，從而給基準(zhǔn)電壓帶來(lái)誤差。圖1中利用理想高增益運(yùn)放構(gòu)成的深度負(fù)反饋結(jié)構(gòu)使得集電極電流I1和I2始終相等，維持運(yùn)放兩輸入端電壓相等，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的基準(zhǔn)輸出。實(shí)際中，由于器件不對(duì)稱性，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓VOS總是存在的，輸入失調(diào)電壓對(duì)基準(zhǔn)輸出的影響可以表示為：
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式中，V-為運(yùn)放反相端電壓，VOS本身還是溫度的函數(shù)，受溫度影響的誤差也將進(jìn)一步被引入到基準(zhǔn)電壓。此外，由于運(yùn)放的電源電壓抑制比有限，電源電壓波動(dòng)也會(huì)對(duì)基準(zhǔn)電壓輸出產(chǎn)生較大影響?；谝陨峡紤]，在此提出一種帶曲率補(bǔ)償無(wú)運(yùn)放的Brokaw基準(zhǔn)電壓源。該結(jié)構(gòu)由電流鏡實(shí)現(xiàn)電流匹配，并且?guī)逗诵碾娐房梢院芎玫睾碗娫措妷合喔綦x，減小電源電壓波動(dòng)造成的影響。
2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2所示為完整的帶隙基準(zhǔn)和過(guò)溫保護(hù)電路。主要包括四個(gè)部分：基準(zhǔn)啟動(dòng)電路；Brokaw帶隙基準(zhǔn)核；曲率補(bǔ)償電路；熱關(guān)斷及滯回電路。
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2.1 Brokaw帶隙基準(zhǔn)電路
Brokaw帶隙基準(zhǔn)電壓源[4]是1974年由A.Paul Brokaw在Widlar帶隙基準(zhǔn)電壓源的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。與Widlar帶隙基準(zhǔn)電壓源相比較而言，Brokaw基準(zhǔn)可以產(chǎn)生兩倍的PTAT電流，減小了Q1和Q2大的發(fā)射區(qū)面積比所帶來(lái)的器件失配，具有更好的電壓溫度特性。有別于傳統(tǒng)的帶運(yùn)放的Brokaw帶隙基準(zhǔn)，本設(shè)計(jì)直接采用電流鏡MP1、QP2、QP3使得流過(guò)QN2、QN3的集電極電流相等。QN3的有效發(fā)射區(qū)面積是QN2的8倍。所以基準(zhǔn)輸出電壓為：
調(diào)節(jié)式(2)中的電阻比值即可得到近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸出。圖2中，MP1既可以起到電流鏡像的作用，同時(shí)，還將帶隙核與電源電壓相隔離，增大電源電壓抑制比(PSRR)。C1的作用是將電源電壓經(jīng)過(guò)QN5耦合到QN2集電極的小信號(hào)紋波濾除。由于其他節(jié)點(diǎn)的寄生電容非常小，環(huán)路主極點(diǎn)可以近似由C1和QP1基極串入的等效阻抗決定。該單極點(diǎn)系統(tǒng)具有相位裕度大的優(yōu)點(diǎn)。QN9的基極和QN5射極相連使得QN3、QP3、QN5形成一個(gè)閉合的負(fù)反饋環(huán)路，以穩(wěn)定VREF輸出電壓。由于除了基準(zhǔn)輸出VREF以外，系統(tǒng)還需求一個(gè)0.925V的比較閾值基準(zhǔn)電壓，如圖2電壓VTH1由VREF經(jīng)過(guò)R6、R7分壓得到。
2.2 二階曲率補(bǔ)償
一般在簡(jiǎn)單的帶隙基準(zhǔn)電壓源中，溫度補(bǔ)償只采用一階的。但實(shí)際中，特別是在要求溫度跨度范圍比較大的應(yīng)用中，要保證整個(gè)溫度范圍內(nèi)溫度特性都比較好，二階曲率補(bǔ)償就顯得尤為重要。因?yàn)锽JT的VBE電壓與溫度的關(guān)系不是線性的，根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]
式中，VBG0是在溫度為0K時(shí)外推得到的PN結(jié)二極管電壓，T是絕對(duì)溫度，T0是參考溫度，VBE0是在溫度為T0時(shí)的發(fā)射結(jié)電壓，η是與工藝有關(guān)且與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，α的值與集電極電流IC的溫度特性有關(guān)(當(dāng)IC是與溫度成正比的PTAT電流時(shí)，α=0；當(dāng)IC與溫度無(wú)關(guān)時(shí)，α=1)。由式(3)可知，VBE中與溫度相關(guān)的非線性項(xiàng)為TlnT。將式(3)按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)為：
式中，a0～an為常數(shù)?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路只消除了VBE中與溫度相關(guān)的一次項(xiàng)，因此使輸出具有高階的溫度相關(guān)性。要降低輸出電壓的溫度系數(shù)，就需要對(duì)VBE中與溫度相關(guān)的非線性項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)中采用了一種簡(jiǎn)單有效的曲率補(bǔ)償方式，具有器件少、占用面積小、補(bǔ)償效果明顯、適于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。圖2中QN4和R5的作用就是在高溫時(shí)對(duì)基準(zhǔn)輸出進(jìn)行二階曲率補(bǔ)償。一般的帶隙基準(zhǔn)輸出電壓的溫度特性是一個(gè)開(kāi)口向下的二次拋物線波形，在高溫時(shí)它會(huì)隨著溫度的升高而急劇下降。一般情況下最高溫度要求為85℃，此時(shí)基準(zhǔn)輸出電壓降低得不是很多，能夠滿足要求，但在本設(shè)計(jì)中過(guò)熱保護(hù)的門限溫度較高(160℃)，要求此時(shí)基準(zhǔn)輸出電壓仍能滿足要求，所以這里就需要對(duì)基準(zhǔn)的高溫特性作改進(jìn)。當(dāng)溫度較低時(shí)，R3上的壓降較小，使得QN4沒(méi)有電流流過(guò)。隨著溫度升高，R3上的PTAT壓降也會(huì)升高，在某一門限值處QN4開(kāi)始導(dǎo)通，它的發(fā)射極電流作用在R4上，使基準(zhǔn)電壓在高溫時(shí)抬高，以此來(lái)修正其二階系數(shù)。R5的射極衰減作用是將QN4的射極電流限定在一個(gè)合適的值，如果補(bǔ)償電流過(guò)大，在160℃附近的基準(zhǔn)輸出電壓就會(huì)過(guò)高。
2.3 啟動(dòng)電路
為了避免基準(zhǔn)電路在電源上電后始終保持在初始零電流狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路來(lái)擺脫初始的“簡(jiǎn)并”偏置點(diǎn)，迅速建立在穩(wěn)定工作點(diǎn)上[6]。圖2中QN1和R1組成了基準(zhǔn)的啟動(dòng)電路。QN1的基極外接基準(zhǔn)使能信號(hào)REF_EN，當(dāng)該信號(hào)變高為有效時(shí)，基準(zhǔn)建立之初流過(guò)R1的電流很小，所以MP1、MP2、MP3的柵極都被拉低，使得有電流流過(guò)這三條支路，擺脫了零電流的初始狀態(tài)，基準(zhǔn)迅速建立。基準(zhǔn)電壓正常后流過(guò)R1的電流增大，QN1基-射極電壓降低，流過(guò)QN1的電流減小，啟動(dòng)過(guò)程完成。
2.4 過(guò)溫保護(hù)電路
在輸出負(fù)載電流變大等情況下可能使得芯片內(nèi)部溫度激增，需要設(shè)計(jì)過(guò)溫保護(hù)電路。同時(shí)，在過(guò)溫保護(hù)閾值點(diǎn)附近可能出現(xiàn)反復(fù)關(guān)斷開(kāi)啟的熱振蕩現(xiàn)象，需要過(guò)溫保護(hù)電路具有熱滯回（Thermal Threshold Hysteresis）功能[1]。系統(tǒng)對(duì)過(guò)溫保護(hù)功能模塊提出的要求是：當(dāng)內(nèi)部溫度高于160℃時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路輸出信號(hào)OTP-OUT由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，關(guān)斷芯片內(nèi)其他模塊，防止過(guò)溫?zé)龤?；?dāng)溫度降至低于160℃后OTP-OUT不會(huì)迅速變高，而是要經(jīng)過(guò)20℃的滯回量，在低于140℃后過(guò)溫保護(hù)中止，OTP-OUT變?yōu)楦唠娖?，芯片恢?fù)正常工作。設(shè)計(jì)滯回量的目的就是要防止在過(guò)溫閾值附近出現(xiàn)的熱振蕩現(xiàn)象。如圖2的過(guò)溫關(guān)斷和滯回電路部分。MP2、MP3為整個(gè)過(guò)熱保護(hù)電路提供偏置電流，C2作為反相器鏈輸入濾波電容能夠減小QN8集電極電壓波動(dòng)對(duì)輸出的影響，二極管連接的QN6是為QN7的基-射極鉗制一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷海沟肣N7能夠充分導(dǎo)通，MP4可以加速反相器INV2的導(dǎo)通。當(dāng)芯片溫度低于160℃時(shí)，QN7、RT1、RT2支路偏置的QN8基極電壓小于其導(dǎo)通閾值VBEON(QN8)，QN8處于關(guān)斷狀態(tài)，QN8的集電極電壓為高，經(jīng)過(guò)二級(jí)反相器后OTP_OUT輸出為高電平，表示工作溫度正常。OTP_OUT反饋回來(lái)控制MN1柵極，此時(shí)MN1導(dǎo)通，RT3被短路。忽略MN1的導(dǎo)通電阻，QN8的基極電壓可近似表示為：
式中，ID為QN7的集電極電流。
當(dāng)芯片溫度高于160℃時(shí)，由于QN8的基-射極電壓為負(fù)溫度系數(shù)，此時(shí)，VB(normal)>VBEON(QN8)，QN8導(dǎo)通，集電極被拉低，OTP_OUT輸出變低，MN1關(guān)斷，由此，QN8基極電壓變?yōu)椋?BR> 
可見(jiàn)，VB(off)>VB(normal)，即當(dāng)溫度升高到關(guān)斷溫度后，QN8基極電壓升高，需要更大的VBEON(QN8)才能關(guān)斷QN8。也就是說(shuō)，由于基-射極電壓的負(fù)溫度特性，需要比160℃更低的溫度才能使OTP_OUT輸出變?yōu)楦唠娖?。?dāng)溫度稍微下降時(shí)，由于VB(off)較高，而VBEON(QN8)變化不大，所以QN8繼續(xù)導(dǎo)通。在消除導(dǎo)致芯片過(guò)熱因素后，芯片溫度下降到足夠低，此時(shí)VBEON(QN8)相對(duì)較高，VB(off)已經(jīng)不足以使QN8導(dǎo)通，截止后的QN8集電極輸出為高，電路恢復(fù)正常工作。這種利用關(guān)斷前后的電壓差值以及BJT基-射極電壓負(fù)溫度系數(shù)特性的滯回電路很好地防止了熱振蕩。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電路在溫度高于160℃時(shí)關(guān)斷，下降到140℃時(shí)恢復(fù)工作，通過(guò)調(diào)節(jié)分壓電阻的比值即可設(shè)置精確的電壓閾值。根據(jù)以上分析可以得到以下關(guān)系：
3 仿真結(jié)果與討論
本設(shè)計(jì)基于UMC 0.6μm_5V_30V_2P2M_P_SUB BCD工藝，采用Hspice仿真分析。
圖3 為帶隙基準(zhǔn)在電源電壓為2.5V、4.5V、6V下的溫度特性，在-40℃～+160℃寬范圍內(nèi)，相對(duì)溫度系數(shù)約25ppm/K?？梢詮膱D上看到溫度曲線在高溫時(shí)的補(bǔ)償效果，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)基準(zhǔn)中心值保持在設(shè)計(jì)要求值。
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圖4 為隨電源電壓變化特性，室溫下，在2.5V～6V范圍，輸出基準(zhǔn)電壓1.2±0.000 5V。電源電壓抑制比(PSRR)在典型電源電壓4.5V條件下為72.2dB。
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圖5為基準(zhǔn)啟動(dòng)過(guò)程，隨著電源電壓增高，當(dāng)達(dá)到最低啟動(dòng)電壓后，基準(zhǔn)輸出迅速建立，如圖建立時(shí)間約2.5μs。圖6表示過(guò)溫保護(hù)效果，圖6(a)掃描溫度從-40℃到+170℃，過(guò)溫關(guān)斷(otp_out由高變低)閾值為160℃，圖6(b)掃描溫度從+170℃到-40℃，滯回開(kāi)啟（otp_out由低變高）閾值140℃，滯回裕量符合設(shè)計(jì)要求，關(guān)斷開(kāi)啟迅速。所有條件下仿真結(jié)果表明，閾值溫度變化范圍為1℃。
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本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的這種帶曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)和過(guò)溫保護(hù)電路，利用簡(jiǎn)單的二階曲率補(bǔ)償方式，基準(zhǔn)電壓在整個(gè)寬溫度范圍內(nèi)都能穩(wěn)定。過(guò)溫保護(hù)模塊固有的滯回裕量可以很好地防止熱振蕩，同時(shí)可以保證高的溫度靈敏度。在UMC 0.6μm BCD工藝下仿真結(jié)果表明，與同類寬電源電壓、寬溫度范圍基準(zhǔn)電路性能相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、低功耗、易于集成等特點(diǎn)，非常適合集成在各類型電源管理芯片中，并已實(shí)際應(yīng)用于一款高壓同步BUCK芯片。
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