一种用于宽电源电压的二次补偿带隙基准电路的设计

陈富吉，王 沛，吕航伟

（西安飞行自动控制研究所，陕西 西安710065）

在加速度计系统中，对基准源的要求越来越高，基准电压直接影响加速度计的精度，同时为了满足大量程的系统需求，要求输入电源电压高达十几伏。有文献［1－2］提出了一些带隙基准电路的改进方法，主要都是针对低压电路的完善，高阶补偿方法要么精度不够，要么精度高但补偿控制电流复杂，不易实现。本文提出了一种在DMOS工艺下实现的宽电源电压二次补偿带隙基准电路，该电压基准可工作于2.5～30 V的电源电压，采用二次温度补偿的方法，大大地降低了基准电压的温度系数，在－40℃～125℃范围内，电压基准的变化仅为1 mV。

1 二次补偿原理

三极管的基极－发射极电压UBE与温度的关系可表示为［3］：

式中，η是一个与工艺有关的常量；m的值取决于三极管的电流，当为PTAT电流时，m＝1。传统的带隙基准电路采用UREF＝UBE＋KUT的模式，仅进行一阶线性补偿，在整个温度范围内只能使其中一个温度点的温度系数为0，离零温度系数点越远，温度系数的变化越大。如果在非零温度点可以额外引入相反温度系数的补偿电流，则可以对带隙基准电压的温度曲线的曲率进行一定的校正，从而修正UBE的温度曲线，基准电压得到较好的温度特性。

2 宽电源电压二次补偿基准电路

电路图如图1所示，其中 Q1、Q2、R2、R3构成环路，产生ΔUBE，得到R3和R2上的电流为：

从式（2）看出，IR3是正温度系数电流，由式（1）得到：

只考虑R2～R4和Q3支路，UREF可以表示为：

根据式（2）、（3）、（4），选择合适的R2、R3、R4可以消除一阶项，得到一阶温度补偿的基准电压：从式（5）可以看出，由于η＞1，当T＜T0时，UREF是正温度系数；当T＞T0时，UREF是负温度系数。

实际上Q3的支路上还包括Q2基极电流IB，虽然Q2的基极电流不大，但是R4的值比较大，因此IBR4对UREF也产生影响，因此可以得到带隙基准电压表示为：

由于IBR4是负温度系数电压，在T＜T0时，UREF的正温度系数电压得到二次补偿，从而整个温度范围基准电压的温度系数减小。

该基准电压电路的一个特点是对偏置电流的精度要求不高，只要偏置电流足够大即可。对于图2的电路，仅M5～M15需要采用耐高压的DMOS，其它采用普通CMOS，兼顾了高压、精度的要求。

图1 二次补偿带隙基准电压电路图

3 电路仿真

图2 UREF的温度特性

图3 UREF的电源抑制比波形

带隙基准电路基于0.6μm DMOS模型进行设计，经过Hspice仿真验证，图2和图3是3 0 V电源电压时基准电路特性曲线，从图中可以看出UREF＝1.262 V，在－40℃～125℃范围内，输出电压仅变化1 mV，温度系数约为4.8×10－6/℃，电源抑制比达到116 dB。当电源电压从2.5 V变化到30 V 时，UREF变化0.02 mV，电压调整率约为0.7×10－6V/V。

4 结 论

本文设计了一种可用于大量程加速度计的二次补偿带隙基准电路，无需附加电流，利用晶体管的基极电流同时实现了二次补偿和较小温度系数的带隙基准电压。经过仿真表明，电路在2.5～30 V的电压下可以正常工作，电压调整率为0.7×10－6V/V，在－40℃～125℃的温度范围内，温度系数约为4.8×10－6/℃。

［1］ 张万东，陈 宏，王一鹏，于 奇，宁 宁，王向展.高电源抑制比和高阶曲率补偿带隙电压基准源［J］.微电子学，2011，41（1）：57－60.

［2］ HUANG Hong－yi.Piecewise linear curvature－compensated CMOS bandgap reference［C］.IEEE Int Conf Elec，Circ and Syst.St.Julien s，Malta.2008：308－311.

［3］ TsividisY P.Accurate analyses of temperature effects in Ic－VBEcharacteristics with application to bandgap reference sources［J］.IEEE J Solid－State Circuits，1980，15（6）：1076－1084.