《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種高精度基準(zhǔn)源電路
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
董大偉
中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，北京100086
摘要： 基于90 nm CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝，設(shè)計(jì)了一種低溫漂的帶隙基準(zhǔn)源電路。一種結(jié)構(gòu)新穎的溫度曲率校正電路被采用，作為一級(jí)溫度補(bǔ)償電路的曲率校正電路。Hspice仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)電壓源在溫度－20 ℃～+120 ℃范圍內(nèi)，平均溫度系數(shù)約為2.2 ppm/℃，獲得了一個(gè)低壓高精度的帶隙基準(zhǔn)電壓源。
中圖分類號(hào)： TN433
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2015)06-0045-02
A high precision bandgap reference
Dong Dawei
China Electronics Corporation，Beijing 100086，China
Abstract： The design of the novel currature correction temperature compensation bandgap reference circuit as the currature correction circuit of the first order temperature compensation bandgap reference circuit, and get a better output and lower average temperature coefficient, which is fabricated with 90 nm CMOS technology. Result from HSPICE simulation shows that the circuit has an average temperature coefficient about 2.2 ppm/℃ between -20 ℃ to 120 ℃。
Key words : bandgap reference；temperature coefficient；curvature correction

   

0 引言

    在高精度集成電路系統(tǒng)中，低溫度系數(shù)﹑低工作電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)十分重要，基準(zhǔn)電壓的溫度特性直接影響電路精度和性能。本文根據(jù)低溫度系數(shù)﹑低工作電壓的要求，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)，采用低壓運(yùn)算放大器，提出了溫度曲率校正的方法，最終實(shí)現(xiàn)了低溫度系數(shù)﹑低工作電壓的CMOS帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，電源電壓在1.3 V時(shí)電路可以正常工作，輸出電壓的平均溫度系數(shù)約為2.2 ppm/℃。

1 一階溫度補(bǔ)償電路

    如圖1所示，電路中采用了一種低電壓運(yùn)算放大器進(jìn)行鉗位，保證M、N電壓近似相等。電路設(shè)計(jì)器件M1、M2、M3的尺寸相同，Q1和Q2的發(fā)射極面積為M：1，電阻R1=R2。

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    由于：VM=VN、R1=R2、I1=I2=I3，所以：I1a=I2a、I1b=I2b

    I1a=VBE1/R1、I1b=I2b=(VBE1-VBE2)/R3=VT ln M/R3

    I3=I1=I2=I1a+I1b=VBE1/R1+VT ln M/R3

    輸出電壓：

    wdz3-gs1.gif

    從式(1)可知，VBE1為負(fù)溫度系數(shù)電壓，VT ln M為正溫度系數(shù)電壓，所以輸出電壓VOUT為一個(gè)經(jīng)過一階溫度補(bǔ)償?shù)碾妷海梢酝ㄟ^調(diào)整電阻比值和系數(shù)M調(diào)整輸出電壓VOUT的大小和精度。

2 曲率補(bǔ)償

    圖1所示的電路并不能滿足對(duì)高精度基準(zhǔn)源輸出的要求，原因是雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE，即PN結(jié)二極管的正向電壓是負(fù)的高階溫度系數(shù)，一階溫度補(bǔ)償電路不能消除高階溫度系數(shù)影響，要減少帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)，必須消除高階溫度系數(shù)的影響。曲率校正電路如圖2所示。

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    圖2中M4、M5、M10、M11、R5構(gòu)成偏置電路，M10、M11工作在亞閾值工作區(qū)，利用MOS器件的亞閾值特性為C點(diǎn)提供正溫度系數(shù)的偏置電壓，C點(diǎn)提供正溫度系數(shù)的偏置電壓，器件M6、M7、M8、M9的電流是溫度的高階函數(shù)。設(shè)計(jì)M7和M9尺寸相同，進(jìn)而電流I7=In。

    VD=VT ln(Ic/ISS)，VE=VT ln[(Id+In)/ISS]

    在D、E兩點(diǎn)產(chǎn)生電壓差，In×R4=(VD-VE)=VT ln[(Id+In)/ISS]。

    In對(duì)溫度求偏導(dǎo)得：

    wdz3-gs2.gif

    由式(2)可知，將高階溫度補(bǔ)償電流In引入到一級(jí)溫度補(bǔ)償電路作為補(bǔ)償電流，輸出電壓式(1)調(diào)整為：

    wdz3-gs3.gif

    式(3)中，In是溫度的高階函數(shù)電流，通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的大小可以調(diào)節(jié)VOUT的高階溫度系數(shù)。

3 電路仿真

    如圖3所示，電源電壓VCC為1.8 V，溫度掃描范圍為-20 ℃～120 ℃，一階溫度補(bǔ)償電路輸出電壓平均溫度系數(shù)為11 ppm/℃。

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    如圖4所示，電源電壓VCC為1.8 V，溫度掃描范圍為-20 ℃～120 ℃。從圖中可以看到補(bǔ)償電流是溫度的高階函數(shù)。

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    如圖5所示，經(jīng)過曲率校正電路校正，電源電壓VCC為1.8 V，溫度掃描范圍為-20 ℃～120 ℃，輸出電壓平均溫度系數(shù)為2.2 ppm/℃。

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    如圖6所示，在27 ℃環(huán)境下，對(duì)電源電壓進(jìn)行DC掃描，電源電壓大于1.3 V電路就可正常工作。

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    比較圖3和圖5所示的Hspice仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過曲率校正電路對(duì)輸出電壓進(jìn)行高階溫度補(bǔ)償，使得輸出電壓平均溫度系數(shù)從原來的11 ppm/℃減小到2.2 ppm/℃，輸出電壓具有更高的輸出精度。圖6所示，在27 ℃環(huán)境下，電源電壓在1.3 V時(shí)電路就可以正常工作了。

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