一种带隙基准电压源设计与修调方法研究

徐万利，范 超，赵 豪，辛晓宁

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110870）

一种带隙基准电压源设计与修调方法研究

徐万利，范 超，赵 豪，辛晓宁

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳110870）

传统的带隙基准一般温度系数在20～100 ppm/°C，无法满足高精度的要求。本设计利用Cadence，Hspice等工具，对传统基准源电路进行改进，最终采用了放大器反馈方式的Brokaw结构，通过修调电路修调之后可以获得温度系数在4.5 ppm/°C以下，在工业级温度范围内误差小于±0.1%的2.5 V高精度带隙基准电压源。利用上海华虹NEC的BCD180工艺在Cadence下通过了仿真验证。并且研究了能够满足批量生产要求的基准源温度特性的修调方法。利用控制变量法分析影响基准源温度特性及精度的参数，找出了基本修调规律。

带隙基准源；温度特性；高精度；修调

在模拟电路中，产生基准源的目的是建立一个与电源和工艺无关，具有确定温度特性的直流电压，最理想的情况是与温度无关，也就是是电路的温漂为零[1]。

其中带隙基准电压源应用最为广泛，因为带隙基准的工艺条件很宽，精度高，而且输出电压受温度和电源电压影响小。因为其基准电压与硅的带隙电压相差不多，因此被称为带隙基准，实际上利用的并不是带隙电压[2]。

1 传统Brokaw电路

传统的Brokaw带隙基准源把具有负温度系数的晶体管偏置电压VBE，与绝对温度成正比例的电压VT，通过适当权加求和，达到温度补偿的目的[3]。

如图1所示，电源通过两个相等的电阻Ra和Rb，给两个基极相连的晶体管Q1和Q2的集电极供电。其中，放大器的作用是使两个晶体管的集电极电流相等[4]。从而使两个晶体管的发射极电流相等，从而得出流过电阻R2的电流是晶体管发射极电流的两倍。那么电路的输出电压就是晶体管Q1的发射结电压VBE和电阻R2两端的电压相加和。这样就利用了电阻的正温度特性来补偿晶体管的负温度特性，从而可以得到零温度漂移的电压基准[5]。

图1 Brokaw带隙基准电压源

但是实际应用过程中，传统Brokaw带隙基准电压源的工作效果并不理想。原因是流过电阻Ra和Rb的电流，即两个晶体管集电极电流并不完全相等，并且输出并不是精确的基准电压。

2 改进的带隙基准电压源电路

针对传统Brokaw带隙基准电压源电路中存在的问题，对电路做了一些改进。

如图2所示，增加了两个晶体管Q0和Q1，促使流过电阻R1和R2的电流相等；在输出端增加了电阻R6和R7，通过电压按比例分配的原则，对原输出电压进行增益扩大[6]。不考虑Q3基极电流时，输出电压可以表示为：

其中N为晶体管Q2和Q3的发射结面积比。

图2 改进的Brokaw电路结构

适当调整电阻R6、R7的比值[7]，可使最终输出电压REFOUT为2.5 V。与传统Brokaw电路结构相比，改进电路由具有足够高增益运放[8]所连接的PMOS管和晶体管Q1构成了反馈回路，形成电流反馈。增加的PMOS管，栅极接放大器的输出端，当VinP大于 VinN时放大器输出高电平，PMOS管截至，REFOUT的电压降低，导致相同情况下，R4支路由于有电阻，所以改变要大一些[9]，因此促使VinP的电压减小；同理当VinP小于VinN时，放大器输出低电平，PMOS管导通，REFOUT的电压被vdd抬高，促使VinP的电压增大。VinP与VinN动态相等，从而保证了通过晶体管Q2和Q3的电流相等。

2.1 仿真工艺角说明

在仿真电路时需要调用电路中所用到的器件的仿真工艺角。本设计中为华虹NEC的BCD180工艺。其中在电路的关键位置的器件参数值受温度影响会影响电路的温度特性[10]。受温度影响的器件有晶体管npn3，电阻rhrp2，还有PMOS管penh5和NMOS管nenh5。

在Hspice仿真中，调用的工艺库文件中，晶体管有3个自定义参数isnpn3，bfnpn3和nfnpn3。其中is为晶体管的饱和电流[11]；bf为晶体管的正向电流放大系数，即β[12]；nf为单结晶体管分压比或效率，即η。电阻中有一个自定义参数rhrp2，其为电阻的方块电阻值。相对应的晶体管npn3的工艺角有ss_lvnpn，tt_lvnpn，ff_lvnpn，电阻rhrp2的工艺角有MIN，TT，MAX，MOS管的工艺角有ss_5v，tt_5v，ff_5v。不同的工艺角对应不同的参数。

2.2 仿真测试

首先，为了研究MOS管的工艺角对基准源的影响，在25℃下，固定晶体管和电阻的工艺角，比较不同MOS管工艺角下的电压差别，如下表所示。

表1 MOS管各种工艺角下的vout/V电压值

由表中数据可得：1）在相同的电阻和晶体管工艺角下，MOS管的工艺角对基准源电压的影响不大，仅为千分之一左右。因此可以假设MOS管和晶体管的工艺角一致，即均为ss、tt或者ff；也可以把MOS管工艺角均设为典型工艺角tt。2）电压的输出值均接近2.5 V的预计值。但是误差较大。因此，为解决带隙基准的精度问题，需要设计修调电路对输出电压进行修调。

3 修调电路设计

如图3所示，在改进的Brokaw电路基础上，使R5接RT端通过数字电位器接地。R6接RA端通过数字电位器接vout。RT修调电路的作用是调整R5电阻的阻值，改变电路的温度特性，根据式（1），增大RT电阻，将增大正温度系数；RA修调电路的作用是调节输出增益，使基准源输出为2.5 V。

如图4所示，其中RT，RA修调电路分别由7位开关控制。RT6～RT0，RA6～RA0各七位输入通过反相器取反后通过译码器后作为数字电位器的控制信号。

通过RT，RA进行修调可以使得带隙基准电压源得到较高的精度和较好的温度特性。修调时，因为可能有无数组RT，RA能保证VOUT为2.5 V，但是温度特性不一定能满足，因此先修调温度特性，再根据曲线修调电压增益，并反复调整RT，RA的值，直至得到较好的温度特性曲线。

图3 添加修调模块的带隙电路

4 修调方法研究

在实际生产中，芯片封装好之后，我们并不知道其中管子的参数，及是否存在工艺偏差而使得管子参数偏离理论工艺角值[13]。因此不容易地修调。现阶段，工程研究人员，普遍存在这样一个问题，当拿到一个已经封装好的芯片的时候，测量输出电压时，往往不是基准电压[14]。这就需要对每个芯片进行摸索性的修调，费时费力，而且得出的修调码也不佳。且很难把每个芯片都从工业温度范围-40℃至+85℃跑一遍看温度特性，造成了修调难题[15]。

图4 整体修调电路

5 修调结果与分析

在本设计中的带隙基准源电路，主要受工艺偏差影响的参数如下，方块电阻值rhrp2和晶体管的is，nf，bf参数，即电路的主要影响元件有电阻和晶体管。在修调时，在各个工艺角下进行了大量的仿真，在25℃下，使晶体管和MOS管的工艺角分别都为SS，TT，FF时改变电阻的工艺角，得出了如下表所示的有规律的修调码数据及温度系数PPM。

从表中数据看出，晶体管同种工艺角下，RA是相等的；电阻工艺角从MIN到MAX，方块电阻值逐渐增大，RT增大，即电路中所接入的电阻增大，才能达到较好的温度特性和精度。在晶体管工艺角从SS到FF，is和bf的参数值增大，所需要加的修调码RT、RA的值就越大，即接入电路的电阻越大。可见is和bf的值越大，电路的负温度系数越大。有了表2的数据，在已知工艺角的情况下，可以快速的对电路进行修调。

6 结束语

通过对传统的改进，设计出了一种高精度带隙基准电压源电路，并且设计了修调电路。并且在华虹NECBCD 0.18 μm工艺下，在Cadence下通过了仿真验证。在已知工艺角的情况下进行修调后，电路的精度达到了千分之一，并且温度特性较好，温度系数达到了4.5 ppm/℃以下。

[1]Paul Brokaw A.A Simple Three-Terminal IC Band-gap Reference[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，Vol.SC-9，NO.6，December 1974.

表2 不同电阻工艺角下的仿真结果

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Design and modification of a bandgap voltage reference

XU Wan-li，FAN Chao，ZHAO Hao，XIN Xiao-ning
（School of Information Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

Traditional bandgap reference commonly with the temperature coefficient of 20-100ppm/°C，unable to meet the requirements of high accuracy.In this design，using Cadence，Hspice such integrated circuits EDA tools，made improvements of the traditional reference circuit，and finally adopted the Brokaw feedback amplifier structure.After trimming，circuit temperature coefficient can be controlled within 4.5ppm/°C or less.In the industrial temperature range，the error of 2.5V high precision bandgap voltage reference source is less than±0.1%.With the use of Shanghai HH NEC's BCD180 process，the function of circuit has been verified in Cadence.And try to study the trimming method of reference temperature characteristics to meet the quantity production requirements.Using the control variate method to analyze the reference temperature characteristics and accuracy parameters，fundamental rules of trimming has been found.

bandgap reference；Temperature characteristic；high precision；trimming

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0190-04

2015-12-24稿件编号：201512249

徐万利（1990—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生。研究方向：集成电路设计。