一种低温度系数的带隙基准电压源设计

张 瑛，王 剑，周洪敏

(南京邮电大学 电子科学与工程学院,江苏 南京 210046)

一种低温度系数的带隙基准电压源设计

张 瑛，王 剑，周洪敏

(南京邮电大学 电子科学与工程学院,江苏 南京 210046)

基准电压源是集成电路系统中的重要组成部分，其性能直接影响系统的稳定性和鲁棒性。温度系数是基准电压源的重要性能指标之一，而高阶温度补偿技术是降低基准源温度系数的有效方法。基于标准0.18 μm CMOS工艺，设计了一种低温度系数的带隙基准电压源，采用电流模结构的带隙基准电路实现了低电源电压工作，并通过VBE线性化补偿技术实现了在低压下的高阶温度补偿。所设计的CMOS带隙基准电压源在-40～125 ℃的范围内，温度系数为6.855 ppm/℃，低频时电源电压抑制比达到了-95 dB，而电源电压在0.6～1.8 V范围内变化时线性调整率仅为0.2%。仿真实验结果表明，该电路结构能够有效提升带隙基准电压源的温度性能。

带隙基准；温度系数；电流模；电源电压抑制比

0 引 言

基准电压源作为集成电路系统中的重要组成部分，其性能直接影响系统的稳定性和鲁棒性。基准电压源可分为电流模带隙基准电压源[1-3]和电压模带隙基准电压源。与电压模带隙基准电压源相比，电流模带隙基准电压源的输出范围不再固定，而是可以根据系统需求进行调整，同时能够满足低压系统的工作要求。

随着便携式、穿戴式等应用系统对低压低功耗的要求不断提高，使得带隙基准电路的工作电压也越来越低，譬如David C. W. Ng等提出了一种带隙基准电路，该电路能够在1.0 V电压下工作，功耗只有26μW，可以应用在低压差线性稳压器中[4]。MaheshKumarAdimulam等提出了一种新型结构的带隙基准电路，降低工作电压的同时也改善了温度系数[5]。EdwardK.F.Lee通过对传统的电流模带隙基准源的改进，使该电路同样可以在1.0V电压下工作[6]。用处于亚阈值区的MOS管取代带隙基准中的PNP管连接成的二极管也可以有效降低电路功耗，譬如CamachoGaleano等基于工作在亚阈值区的器件，设计出超低功耗的参考源[7]。此外，采用特殊制造工艺从而获得低功耗器件，也可以实现低功耗的带隙电压基准。譬如Bhupendra等利用浮栅CMOS设计了一种高精度的功耗只有500nA的带隙电压基准[8]。

温度系数是带隙基准电压源的另一重要性能指标，在带隙基准电路中加入高阶温度补偿结构是降低基准源温度系数的有效方法。一般零阶温度系数约为1.5～5mV/℃，当对带隙基准源进行一阶温度补偿之后，其温度系数可以达到50～100ppm/°C，而采用高阶补偿策略则可以获得更低的温度系数[9-13]。VBE线性化技术利用不同工艺结构的电阻具有的不同温度系数对电路进行温度补偿。譬如FeiyanMu等通过线性补偿以及在核心电路中引入前置调节器，设计出在-55 °C至125 °C范围内温度系数为5.8ppm/°C的基准源[14]。而AbhisekDey等通过对带隙基准源启动电路的改进以及指数补偿，设计出在-20 °C至100 °C范围内温度系数为5.5ppm/°C的基准源[15]。

文中基于标准0.18μmCMOS工艺，设计了一种低温度系数的带隙基准电压源，通过采用电流模结构和VBE线性化补偿技术实现了在低电源电压下的高阶温度补偿。仿真实验结果表明，在-40～125 ℃范围内该带隙基准电压源的温度系数仅为6.855ppm/℃，低频时电源电压抑制比为-95dB，电源电压在0.6～1.8V范围内变化时线性调整率为0.2%。

1 带隙基准电压源基本原理

带隙基准电压源首先产生两个分别具有正温度系数的电压V+和具有负温度系数的电压V-，并使输出电压VREF满足：

VREF=αV++βV-

(1)

其中，α和β是待确定的设计参数，通过选择合适的α和β使得VREF的温度系数为零，即

α·∂V+/∂T+β·∂V-/∂T=0

(2)

下面介绍如何获得具有正负温度系数的电压。

1.1 负温度系数电压

双极型晶体管集电极电流Ic与基极-发射极电压VBE之间的关系可表示为：

Ic=Isexp(VBE/VT)

(3)

其中，Is是双极型晶体管的饱和电流；VT=kT/q，k为玻尔兹曼常量，q为电子电荷。

根据饱和电流Is的计算公式，可以得到VBE电压的温度系数为：

(4)

其中，参数m取为-1.5；Eg=1.12 eV是硅的带隙能量。

当VBE=750mV，T=300K时，∂VBE/∂T≈-1.5 mV/℃。

由式(4)可知，VBE具有负的温度系数，但其受到温度变化的影响，因此带隙基准只能在一个温度点上获得真正的零温度系数。此外，负温度系数的电压会产生一个与温度成反比(ContraryToAbsoluteTemperature，CTAT)的电流。

1.2 正温度系数电压

设两个相同工艺的晶体管的集电极电流分别为nI0和I0，并忽略它们的集电极电流，那么它们基极-发射极电压的差值可表示为：

(5)

因此VBE的差值表现出了正温度系数，即

(6)

从式(6)可知，这个温度系数与温度本身以及集电极电流无关。正温度系数电压会产生与温度成正比(ProportionalToAbsoluteTemperature，PTAT)的电流。

2 电路设计

对于正向工作的三极管，Tsividis在1980年推导出VBE和温度及工艺相关的等式为[16]：

(7)

其中，Vg0是在0K时硅的带隙电压；T是绝对温度；η是一个与温度无关而与工艺相关的参数，其值大约在3.6～4之间；α是一个流过三极管偏置电流的温度依赖参数，当偏置电流是一个PTAT电流时取值为1，当偏置电流与温度无关时取值为0。

将式(7)整理得：

VBE(T)=a0-a1T-a2TlnT

(8)

根据式(8)可知，VBE含有高阶项，因此仅通过一阶温度补偿很难得到温度系数很低的带隙基准，为此需要进行高阶温度补偿。对VBE进行高阶温度补偿通常有两种方法：一是利用数学中的泰勒公式对高阶项TlnT进行展开，然后通过电路设计的方法抵消高阶项；二是直接设计出能够抵消掉高阶项TlnT的电路或是与TlnT曲线变化大致相似的电路，从而消除多余项对基准源的影响，譬如指数型曲率补偿方法。这里采用第二种补偿方法。

所设计的带隙基准电压源的电路原理图如图1所示。其中，三极管Q1具有和绝对温度成正比的电流偏置，因此对应的α为1，而三极管Q2是与温度无关的电流偏置，因此对应的α为0。

根据式(7)，Q1和Q2的基极-发射极电压可分别表示为：

(9)

(10)

VBE1和VBE2的电压差加在线性补偿电阻R3上，会产生一个含有TlnT项的电流INL，即

(11)

而输出的基准电压Vref则可以表示为：

(12)

由式(9)、(10)、(12)可知，当R2/R3的值为η-1时，就可以消除VEB1中的非线性项。根据上述理论最终优化出图1中电阻R1～R4的取值分别为：5.4kΩ，44kΩ，16.6kΩ和47kΩ。

图1 带隙基准电压源的电路原理图

图1中的运算放大器需要具有较大的增益和较好的稳定性，因此采用了具有米勒补偿的两级放大器结构，电路原理图如图2所示。图3为运算放大器频率特性曲线，可以看出低频增益约为101.9dB，单位增益带宽为17.72MHz，相位裕度约为93.6°，性能满足要求。

图2 运算放大器的电路原理图

图3 运算放大器的频率特性曲线

三极管Q0和Q1的发射极面积比设为N，如果N太小，那么为了保证基准源得到零温度系数，电阻必然会取大值，这将导致电阻占用基准电路版图的面积会很大；如果N太大，那么相应的三极管将占据基准电路版图的面积会很大。因此将N取为8，并且三极管的版图布局采用共质心法，其优点在于其外面的八个管子在结构上将中间的管子包围，这样可以使中心管和外管在工艺上误差小，匹配度好。此外，电路中的电流镜管采用了低压共源共栅电流镜，减小了电流镜中晶体管的失配以及衬偏效应对电流镜像准确度的影响。

3 仿真结果

基于标准0.18μmCMOS工艺库，实现了低温度系数的带隙基准电压源的设计和仿真。电压源线性调整率的仿真结果如图4所示。可以看出，当电源电压达到0.8V时电路即可正常工作，说明该电路符合低压工作条件。由图4可知，电源电压在1V时输出电压为701.96mV，在1.8V时输出电压为700.1mV，则其根据定义可以算得电压源的电源调制率为：

在-40～85 ℃的宽温度范围内进行温度扫描，得到的输出电压曲线如图5所示。根据温度系数的定义可以计算得到电压源的温度系数为：

图4 输出电压随电源电压变化的曲线

图5 输出参考电压的温度特性

图6为带隙基准电压源的电源抑制比(PowerSupplyRejectionRatio，PSRR)曲线。由图6可知，电路在低频时的PSRR达到了-95dB，表现出良好的抑制电源干扰特性。

图6 电路的电源抑制特性

由于存在工艺的随机扰动等一些不可预计的因素，集成电路加工过程中器件的尺寸会发生偏差，而片上的电阻产生较大偏差，因此就需要验证在电阻R1～R4产生的变化对电路输出电压的影响。当温度补偿电阻R3阻值发生变化时，带隙基准源温度系数也会产生变化，如图7所示。

图7 线性补偿电阻R3的偏差对输出电压的影响

由图7可看出，当电阻R3的阻值为16.66kΩ时,电路输出电压的温度系数达到最小,而当R3发生变化时温度系数也会相应变大，因此在进行版图设计时需要通过增大面积、采用对称结构以及增加dummy电阻等方法来减小集成电路加工中电阻R3可能产生的偏差。

4 结束语

基准电压源是集成电路系统中的重要组成部分，文中基于标准0.18μmCMOS工艺设计了一种低温度系数的带隙基准电压源。仿真实验结果表明，所设计的电压源电路在-40～125 ℃范围内温度系数仅为6.855ppm/℃，低频时电源电压抑制比达到-95dB，并且电源电压在0.6～1.8V内变化时线性调整率为0.2%，表现出了良好的综合性能。

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Design of a Bandgap Voltage Reference with a Low Temperature Coefficient

ZHANG Ying,WANG Jian,ZHOU Hong-min

(College of Electronics Science & Engineering,Nanjing University of Posts &Telecommunications,Nanjing 210046,China)

The reference voltage source is an important part of the integrated circuit system,and it has a direct impact on the stability and robustness of the system.The temperature coefficient is one of the important performances of the reference voltage source,and the high-order temperature compensation technology is an effective way to reduce the temperature coefficient.A bandgap voltage reference with a low temperature coefficient is designed based on standard 0.18μmComplementaryMetalOxideSemiconductor(CMOS)process.Thecurrentmodestructureisusedtomakethecircuitworkingunderthelowpowersupplyvoltage,andthelinearcompensationtechnologyisappliedtocompletethehighordertemperaturecompensation.Thedesignedvoltagereferencegivesagoodlowtemperaturecoefficientof6.855ppm/℃inthetemperaturerangefrom-40to125degree,andprovidesagoodPowerSupplyRejectionRatio(PSRR)of-95dBinthelowfrequencyband.Thevoltagelinearregulationofthebandgapvoltagereferenceisonly0.2%whilethesupplyvoltagechangesfrom0.6Vto1.8V.Thesimulationresultsshowthatthecircuitstructurecanimprovethetemperatureperformanceofthebandgapreferencevoltagesourceeffectively.

bandgap reference;temperature coefficient;current mode;power supply rejection ratio

2015-05-18

2015-08-20

时间：2016-01-26

国家自然科学基金资助项目(61106021)；江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB510020)作者简介：张 瑛(1980-)，男，博士，副教授，研究方向为射频与微波集成电路设计。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1520.052.html

TN47

A

1673-629X(2016)02-0150-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.034