一种低压新型曲率补偿基准电压源设计

肖 本，冯 宁，肖 明

(1.广东机电职业技术学院 电气工程学院，广东 广州 510515;2.德州仪器半导体有限公司 模拟设计部，广东 深圳 518052)

随着半导体技术和电子技术的快速发展，便携和低功耗产品已成为电子产品发展的趋势，例如高精度太阳能电子秤、血压测试仪等。基准电压作为集成电路芯片中一个核心的模拟单元，它的性能直接决定了系统的好坏。性能优良的基准电压源决定了数模转换或者模数转换的最高精度。文中通过MOS 器件亚阈值工作特性来降低传统带隙基准电压的温度系数，同时通过简化电路降低工作电压。电路采用Chrt0.35 μmCMOS工艺流片，测试结果表明，基准电压的温度系数约为1.7×10－6/℃，最低工作电压为1.2 V。

1 基准电压设计原理

温度系数是基准电压源的一个核心指标，目前都是采用抵消平衡技术来提高其温度特性。将基准电压源中正温度系数物理量和负温度系数物理量，采用一定配比来降低其温度系数。因此，分析带隙基准电压中各物理量的温度特性是设计的基础，配比抵消温度系数是设计的关键。

1.1 正温度系数电压分析

当NMOS 管的VGS≈VTH时，器件工作在亚阈状态，由于存在弱反型层，漏源之间会有一定的导通电流ID，根据亚阈特性，电流ID与VGS成指数函数关系

其中，ζ ＞1，为非理想因子，VT=kT/q。由式(1)得

则

由式(3)可分析出ΔVGS为一个正温度系数的电压物理量。

1.2 负温度系数电压分析

双极晶体管的基极－发射极电压(VBE)具有负温度系数。根据其物理特性，结电压VBE与温度的函数关系为

式中，η 和α 分别是与三极管结构和漏源电流有关的系数;η 通常为4;α 为1 或0，1 代表漏源电流为PTAT电流;0 代表漏源电流为与温度无关;T0为参考温度;VBG为带隙外推电压。因此通过分析VBE的数学函数，可得出VBE与温度近似成负比例关系，即VBE近似为一个负温度系数的电压物理。

2 一阶温度补偿电路

采用配比正、负温度系数的电压可得到一个近似零温度系数的基准电压。图1 为采用一阶温度补偿的基准电压源电路。

图1 一阶补偿电路

图1 中VCC和VSS分别为电源电压和地;Mp1、Mp2、Mp3、Mp4为PMOS 晶体管宽，W/L 的宽长比为1∶1∶M∶N;同时Mn1、Mn2为NMOS 晶体管宽，W/L 宽长比为1∶A;而晶体管Mp1、Mn1晶体管宽长比为1∶B。根据EKV 的连续型I－V 模型，强反型－弱反型的临界电流或转折点电流定义为标称电流ISo，在0.35 μmCMOS 相关工艺参数，计算得到ISon=87.4 nA，ISop=29.7 nA。为保证NMOS 晶体管工作在亚阈值区，PMOS 晶体管工作在强反型区，比值1∶B 应该尽量大，以确保MNOS 的漏源电流＜80 nA，可得

根据节点S 的电流方程

通过分析VOUT电压方程，VOUT为一阶函数，由于VBE为负温度系数而IPTATR3为正温度系数，如果调节M 为一合适值，则VOUT的温度系数可以近似为零，即此电路实现一阶温度补偿，同时还可以通过调节R2、R3来实现对VOUT的大小调节。

3 曲率补偿电路

3.1 曲率补偿原理

采用一阶温度补偿的基准电压温度系数较差，主要原因是只通过配比抵消一阶电压的温度系数，而没有对高阶电压的温度系数进行抵消。一阶温度补偿电路仿真分析可知，基准源只能在某个温度点T0具有零的温度系数，在低温与高温区域，温度系数则达到30 ～100×10－6/℃。所以，为得到温度性能更好的带隙基准电压源，必须进行高阶温度补偿。

3.2 曲率校正

为了改善图1 一阶温度补偿基准电压VOUT的温度性能，进一步分析式(4)的VBE方程，如果抵消方程中第3 项所带来的温度影响，则基准电压的温度系数将降低，其温度性能也将改善。通过曲率校正可以实现消除高阶项的温度影响。曲率校正电路如图2 所示，Mp1的偏置电压VPTAT是一个正温度系数电压，即流过Mn1的电流IPTAT为正温度系数电流。图2 电路的电源和地分别为Vcc和Vss。电路中电流镜Mn1和Mn，使得流过Mn2的电流为IPTAT。电流镜Mn3和Mn4，使得流过Q5的电流为IOUT。流过Q1、Q2、Q3、Q4电流分别为IPTAT、IPTAT、IPTAT/A、(IPTAT/A+ICTAT)。电压VBE=VTln(IC/ISS)，IC为集极的电流，Iss为反向饱和电流;VT是热电压，且VT=kT/q，其中k 为波尔兹曼常数，T 为绝对温度;q 为电子电量;A 为Q2与Q3的发射极面积比;R 为电阻;电流ICTAT=VBE5/R。由此可以计算出X、Y、Z 这3 点的电压值。

图2 曲率校正电路

由电流ICTAT=VBE5/R 得ICTAT具有负温度系数;IPTAT为正温度系数电流，即调节A 和R(ICTAT)可以使得电流(IPTAT/A+ICTAT)的和为常数K，且温度系数趋于0。

由式(11)可知，产生的输出电流IOUT(K 为常数)为温度的高阶函数，通过调节面积比例系数A 和电阻R(或ICTAT)来调节高阶温度补偿。

4 电路前仿真

(1)采用曲率校正的一阶温度补偿带隙基准电压源电路如图3 所示。

图3 曲率校正一阶补偿电路

分别仿真分析非曲率校正基准电压和曲率校正基准电压。仿真时电源电压VCC为1.2 V，温度范围为－20 ～120 ℃。图4 为温度特性仿真结果。图4(a)为非曲率校正一阶温度补偿的带隙基准电压源温度特性曲线，基准电压在－20 ～40 ℃范围内平均温度系数约为2.1×10－6/℃，40 ～120 ℃范围内为17.1 ×10－6/℃，所以有必要在高温部分进行曲率温度补偿。经过曲率校正的温度曲线如图4(b)所示。在－20 ～120 ℃范围内平均温度系数为1.7×10－6/℃，在温度为60 ℃时，存在一个突变点，主要原因是:系数K 不是与温度完全无关，在60 ℃是I2PTAT由二次曲线向更高次曲线变化的一个转折点，如图4(b)所示。

图4 为温度特性仿真结果

图5 温度仿真结果

5 芯片测试结果

5.1 温度特性测试

取30 颗样片分别进行温度动态扫描测试和静态缺陷测试。动态温度扫描测试范围为－40 ～125 ℃，测试步进为1 ℃，测试结果如图6 所示，单样片的动态温度系数均＜2×10－6/℃，与上述电路仿真结果基本一致。

图6 温度特性测试

5.2 静态缺陷测试

分别在－40 ℃、25 ℃、85 ℃、125 ℃下测试30 颗样片的基准电压并记录数据，再进行统计分布分析，记录数据如表1 所示，统计分布如图7 所示，统计分析结果表明，芯片性能一致性高，服从正态分布规律，正品率达到99.99%以上，符合6 西格玛质量要求。

表1 基准电压统计

图7 统计分布分析

6 结束语

基于Chrt0.35 μmCMOS 工艺，设计了一个基于亚阈值区工作的一阶温度补偿电路和一个采用正温度系数电压作为偏置电压的I2PTAT电流产生电路，获得了一个电路结构简单，高性能的带隙基准电压源。经过样片测试结果表明;电路可以获得稳定的输出基准电压400 mV，在－20 ～120 ℃范围内温度系数约2×10－6/℃。该基准源的最低工作电压为1.2 V，适合于低电源工作，可用于太阳能供电的集成系统中，同时该电路具有较强的移植性，可为各种数字或模拟芯片提供精准的参考电压。

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