一种具有高阶温度曲率补偿的CMOS电压基准源

侯俊芳 （天津轻工职业技术学院 天津 300350）

0 引言

电压基准源是高精度数据转换器、数据采集器以及智能传感器芯片中的重要模块电路；它的温度特性是衡量电压基准电路的重要指标。近年来许多研究者对电压基准源的温度特性进行了深入研究。[1-4]双极型晶体管BE结的负温度特性是实现温度补偿的主要因素。一阶温度补偿中通常近似BE结的温度特性为线性函数，其温度系数大约为1.5mV/℃。但是其温度特性的非线性引起一阶温度补偿的误差，如公式（1）所示：

BE结电压的实际温度特性曲线与一阶近似的差异如图1所示。其中VG是硅材料的能隙电压。

针对一阶温度补偿的温度非线性因素，本文给出一种高阶的温度补偿方法，在更宽泛的温度范围内得到具有良好温度稳定性的电压基准源。文章给出温度曲率补偿的方法及电路的实现和仿真验证的结果；最后针对电压基准源的实现进行讨论。

1 高阶温度曲率补偿

通常情况一阶温度补偿电压基准源由负温度特性的BE结电压和一个正温度特性（PTAT）的电压构成。正温度特性电压通过两个晶体管的BE结电压差值产生，如公式（2）：

不同比例系数K可以调整电压基准源的拐点温度，即零温度系数时刻对应的温度值。

高阶温度曲率补偿通过叠加两个不同温度拐点的一阶温度补偿电压实现。如图2所示，电压V1的拐点在低温，电压V2的拐点在高温。电压VA是电压V1和V2的叠加，因此电压VA应当结合它们的温度特性，具有高阶温度补偿的效果。

图3给出一种高阶温度补偿电路的示意图。因为图中示意的基准输出采用电流-电压转换方式实现，所以假设电阻的温度系数为零。电流IPTAT由PTAT电压产生，电流ICONST由一阶温度补偿的电压产生。输出基准电压VA的表达式为：

设置一阶温度补偿电压V1和V2具有不同的拐点温度：V1的拐点温度为10℃，V2的拐点温度为100℃。输出电压VA将是具有高阶温度补偿的基准电压。

2 电路实现与仿真验证

采用TSMC-0.5 BCD工艺实现高阶温度补偿电路，如图4所示。电路分为5个模块：启动电路start-up，偏置电路bias_gen，PTAT电流产生电路PTAT_gen，负温度系数电流产生电路Ibe_gen和电压基准源输出电路reference core。对比图3电流ICONST由PTAT电流和Ibe电流按照一定比例构成。输出电压可以通过输出电阻分压调整到需要的电压值。

基于Cadence仿真器，对高阶温度补偿电路的特性进行验证。在5 V电压源的条件下，设计输出电压VA为2.4 V，输出阻抗最小3.5 KΩ，输出电流能力10μA。其温度特性仿真结果如图5所示，两个拐点温度的出现符合设计的初衷。在-40～150℃范围内，有效温度系数每摄氏度为13mg/m L。

电路的线性电源调整能力和电源抑制能力分别如图6和图7所示。电路需要的最低工作电源为3 V，线性调整特性小于1%；直流电源抑制比54 dB，100 kHz频率下电源抑制比30 dB。图8给出此电路的瞬态启动特性；启动时间5μs的电源下，高阶温度补偿电压基准源大约需要60μs的启动响应，并且没有过冲电压出现。综合以上，高阶温度补偿电压基准源表现出良好的电路特性。

3 结论

文章给出一种高阶温度补偿电压基准源的实现方法，基于TSMC-0.5μm BCD工艺，实现在-40～150℃范围内，有效温度系数每摄氏度为13mg/m L。这种方法不需要修正电路，易于实现，并且可以根据需求输出不同的电压值。实际设计生产中应当考虑PTAT电流和Ibe电流产生模块中的电流镜失配和电阻的温度特性对电路特性的影响。

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