一种高精度低温漂带隙基准源的设计

(杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室，浙江 杭州310018)

0 引 言

基准电压源是模拟集成电路及混合集成电路中不可缺少的重要组成模块，广泛应用于数据转换器、集成稳压器、射频电路以及各种测量设备中[1，2]。带隙基准源具有很好的输出精度和稳定的温度特性，已成为目前应用最为普遍的电压基准源，其性能好坏将直接影响到整个电路的输出精度[3，4]。随着数据转换精度的逐步提高，传统带隙基准源的精度已很难达到电路设计的需求;目前国内外不少文献对低温漂带隙基准源进行了研究，但这些仍难以满足高精度集成稳压器、高精度数据转换器等系统设计的要求[5]。基准源的精度跟温度有关，要提高精度就得减小温度系数，文献3 提出的多输出基准电路获得了多值基准，但电路的温度系数仍较高。本文设计了一种高精度、低温度系数、高电源抑制比的多输出带隙基准电路，能够很好的满足各类电源管理芯片的设计要求。

1 传统带隙电压基准源工作原理

理想的带隙基准电压源电路的输出电压通常不受电源电压波动、工艺变化、温度变化等因素的影响[6]。传统的带隙基准电压源的原理示意图如图1所示:

具有负温度系数的双极性晶体管，其基极-发射极电压VBE的温度系数在室温下约在-2.2mV/K 左右。而具有正温度系数的热电压VT其温度系数在室温下为+0.085mV/K[7]。将这两部分电压适当相加就得到输出电压VREF:

将式1 对温度T 微分，再将VBE和VT的温度系数分别代入式1可求得K的值，在理论上它使VREF的温度系数为零。VBE受电源电压变化的影响很小，因而带隙基准电压的输出电压受电源的影响也很小。

图1 传统的带隙基准电压源原理图

2 本文设计的带隙电压基准源电路

本文设计的带隙基准源整体电路如图2所示，电路包含4个部分:启动电路、基准产生电路、曲率补偿[8]以及多输出驱动电路。该电路不需要额外的偏置电路，工作于自偏置电流模式即可实现。与传统的带隙基准源电路相比，该电路具有结构简单、工作方式更简捷的优点。由于传统的带隙基准电路采用运算放大器来锁定电路的电压，而运算放大器存在极大的非零输入失调电压，因而基准电压的精度会受到非零输入失调电压的影响。该电路设计中没有采用传统结构中的运算放大器，因此避免了运算放大器的非零输入失调电压对基准输出电压的影响，电路具有较高的电源电压抑制比。该电路的特点不仅未使用运放，还采用了电压箝位的二阶温度补偿电路，使得电路的温度系数得到了大大的提高。

图2 本文设计的带隙基准电路

2.1 启动电路

对于基准电路来说，有一个很重要的问题是电路存在“简并”偏置点，即当电源上电时，所有的晶体管均传输零电流，环路可以允许零电流的存在。因此，启动电路不仅要能保证在电源上电时能驱使电路顺利的跳出“简并”偏置点，而且还要保证当电路正常工作后，能自动与电路断开，使整个电路的复杂度及功耗等得到降低。

图2中的启动电路由M1、M2和M3组成。当电路在上电瞬间时，由于M1 采用了二极管连接方式，故M1 导通，此时VCC 通过M1 传到M3 栅极，使M3 导通。随着M3 栅极电位的不断提升，最后整个电路开启。当电路正常工作一段时间后，M2 开始导通，但M3是具有倒宽长比的器件，导通电阻特别大，这样使得M3 栅极电压变得很小，最终M3 截止，整个启动过程结束。由此可见，启动电路对基准部分无任何影响，也没有功耗。

2.2 带隙电压基准电路

带隙基准核心电路如图3所示由晶体管M4 M13、电阻R1 R3和双极型晶体管Q1 Q3组成。该电路的一大突出特点就是不需要采用额外的电流偏置电路，电路只需通过M4 M7、M12和M13 构成带隙的自偏置共源共栅结构的电流镜电路就可以提供电路所需电流。与传统的带隙基准结构相比较，共源共栅结构具有很好的屏蔽作用，不仅结构简单，还可以有效地改善晶体管的沟道长度调制效应。由M8、M9、M10、M11组成的共源共栅结构是电压箝位电路，由于共源共栅结构的屏蔽作用，从而使该电路与运放具有类似的电路功能，保证了Vx=Vy，并使得Q1、Q2和R1组成了一个PTAT 电路。由于VBE1=VBE2+VR1，则VR1=VBE1-VBE2=△VBE=VTln(Ic1/ls1)-VTln(Ic2/Is2)=Vr lnN，从而产生I1=I2=I3为正温度系数的PTAT 电流，使得:

VBE3是一个具有负温度系数的电压是一个具有正温度系数的电压，所以只需选择合适的R2和R3，就可以得到理论上具有零温度系数的基准电压输出值Vz。

2.3 曲率补偿和多输出驱动电路

电路的曲率补偿部分采用不同种类电阻的不同温度系数进行二阶温度补偿，从而获得较低的温漂性能。图2中的R1和R2是具有负温度系数的Rrhr1k，即多晶硅高阻1kΩ，R3是具有正温度系数的n扩散电阻(rnplus)。根据式2 分析可得，由于R1、R2的温度系数相同，R2/R1的比值与温度无关，故R2/R1·VTln(N)项只是线性补偿，但是R1、R3的温度系数相反，R3/R1·VTln(N)项只是线性补偿，但是R1、R3的温度系数相反，R3/R1的比值与温度有关，为温度T的函数，且具有正温度系数，这样就获得R3/R1·VTln(N)项做二阶曲率补偿，因而使得整个带隙基准电压的温度系数大大减少。

而电路的多输出驱动电路利用一个简单的运放结构作为基准输出端的驱动电路，增强带隙的电流驱动能力，节省了芯片面积。不仅能够提供负载所需要的驱动电流，同时还能够保证在产生其他基准电压时，对图2中的基准电路本身不产生任何影响。电路的输出参考电压值为Vrefi=Vref×(∑R'i)/RO，其中RO=R’1+R’2+R’3。式中的比例电阻构成新的参考电压，所以输出电压值与温度无关。由此得到的3个电压值分别为:这种结构不仅能够产生电源抑制比高、功耗低、温度系数小的基准电压，同时在很大程度上还能使芯片的面积得到减小。

3 仿真结果与分析

本文电路基于0.5μm 标准CMOS工艺模型，采用Cadence的Spectre 进行仿真。在5V 电源电压下，从-30 110℃做温度扫描，整个电路的功耗为30μA，基准电压随温度变化曲线如图3所示。

由图3可见，在整个温度变化范围内，带隙基准输出电压稳定在1.27V 左右，它的最大和最小值分别为1.279 0V和1.279 45V，且变化幅度仅为0.45mV，Vz的温度系数可用式2.36×10-6V/℃来衡量，CT的值显示了低温漂的特性。本文电路和文献3、4 中设计电路的结果进行了比较如表1所示。由此可见，在较宽的温度范围内，设计实现了小于2.36ppm/℃的温度系数，温度特性优于文献3、4中的设计结果。

带隙基准电路的电源抑制比特性如图4所示。由图4可见，在低频下PSRR为-85.6dB。如表2所示是带隙基准电路的主要性能参数。

表1 设计结果的比较

表2 带隙基准电路的主要性能参数

图3 带隙基准电路温度特性

图4 带隙基准电路的PSRR 特性

4 结束语

本文提出的带隙电压基准源电路采用二阶曲率补偿技术，有效地改善了带隙基准电路的温度系数;使用具有自偏置电流镜电路的共源共栅结构，提高了基准电路的电源抑制性能;利用简单的运放结构作为基准输出端的驱动电路，节省了芯片面积，增强了带隙的电流驱动能力。在-30 110℃温度时电路功耗为30μA，温度系数低于2.36×10-6/℃，低频下PSRR为-85.6dB。所设计的电路具有基准输出电压的温度系数小、电源抑制比高以及功耗低等特点，可以广泛应用在电源管理芯片类的电路设计中，具有很好的实用价值。

[1]毕查德 拉扎维.模拟CMOS 集成电路设计[M].西安:西安交通大学出版社，2003∶311-341.

[2]Edward K F L.A low voltage CMOS bandgap reference without using an opamp[J].IEEE Custom Integrated Circuits，2009，13(1):501-504.

[3]沈勇，解光军.一种无需运放的低温漂带隙基准源设计[J].合肥工业大学学报，2010，33(6):995-997.

[4]吴蓉，张娅妮，荆丽.低温漂高PSRR 新型带隙基准电压源的研制[J].半导体技术，2010，35(5):503-506.

[5]Jin L，Xing H Q，Chen D G，etal.A self-calibrated bandgap voltage reference with 0.5×10-6/℃temperature coefficient[J].Proc of IEEE Circuits and Systems，2006，43(5):2 853-2 856.

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