一种高阶温度补偿的带隙基准电压源

周思敏 徐海峰

摘要：基于SMIC 0.18μm CMOS工艺设计了一种高阶温度补偿的带隙基准电压源。仿真结果表明，在1.2V电源电压下，带隙基准电压源的温度系数为4.5ppm/℃;在低频处的电源抑制比为-62dB。

关键词：带隙基准源;温度补偿;温度系数

中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0036-02

0 引言

带隙基准源是集成电路系统的关键模块，已广泛应用于ADC、LDO等模拟电路系统中。带隙基准源的精度和温度特性直接影响系统的性能，且CMOS电路的特性受温度影响较大[1]。为保证系统芯片的稳定工作状态，且满足不同环境下的需求，带隙基准源应具备温漂系数小、抗干扰能力强和输出稳定等特性[2-3]。由于传统的一阶带隙基准源具有相对较高的温漂系数，不适用于高精度电路系统。基于此，本文在传统的△VGS带隙基准基础上引入一种与温度T成1.5次方的电流，并采用温度分段补偿技术，设计了一种高阶温度补偿的带隙基准电压源，获得了低温漂特性。

1 电路设计与分析

图1为本文所设计的带隙基准电压源，主要由带隙核心电路、高温补偿电路、低温补偿电路以及启动电路组成。由于带隙基准电压源存在简并点，因此需要一个启动电路。其中，启动电路由MOS管MS1～MS6组成。

图1（b）为带隙核心电路，主要由电阻R1～R5、MOS管Mn1～Mn2、Mp1～Mp5与放大器A1、A2构成。放大器A1、A2完全相同，其低频增益Ad>>1。Mn1、Mn2工作在亚阈值区，且Mn1的沟道宽长比是Mn2的β0倍。Mp1、Mp2管完全相同，且工作在饱和区，则Mp1的漏极电流Ip1为。其中，n为工艺参数，k为玻尔兹曼常数，q为电子电荷量，T为绝对温度。Mp5 管的沟道宽长比是MP1管的β1倍，因此，MP5管的漏极电流IP5为。Mp4管的沟道宽长比是Mp3管的β2倍，因此Mp4管的漏极电流IP4为。其中，VGSn2为Mn2的栅-源电压，具有负温度特性。

图1（c）为高温区域补偿电路，主要由MOS管Mn3～Mn10、Mp6～Mp10组成，Mn3管工作在饱和区，Mn4管工作在深线性区，则Mn4管的沟道电阻rdsn4为：                （1）

式中，μn为电子迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容，（W/L）n4为Mn4管的沟道宽长比。

Mp6管与Mp1管完全相同，则In3=Ip6=Ip1。Mp7管与Mp8管完全相同且工作在饱和区，Mn5管与Mn6管工作在亚阈值区，则有In4=In5=In6= Ip7=Ip8。

MOS管工作在亚阈值区的漏极电流[4]为：

（2）

式中，ID0为特征电流，VGS为MOS管的栅-源电压。

综上分析，MOS管MP7的漏极电流IP7为：

（3）

式中，β3是Mn5与Mn6管的宽长比的比值。

Mp10管的沟道宽长比是Mp7管的β4倍，则Mp10管的漏极电流IP10为，Mp9管的沟道宽长比是Mp3管的β5倍，Mn7管与Mn8管完全相同，则有。则，高温区补偿电流IH为：

（4）

图1（d）为低温区域补偿电路，由MOS管Mn11～Mn16、Mp11～Mp12组成。其中Mp11管与Mp12管的沟道宽长比分别是Mp3管的α1与α2倍，Mn11管与Mn14管的沟道宽长比分别是Mn3管的α3与α4倍，则有Mn13管的漏极电流In3为，Mn16管的漏极电流In16为，则低温区补偿电流IL为。

因此，图1所示带隙基准电压源的输出电压Vref为：

（5）

由式（5）可知，对于图1所示高阶温度补偿带隙基准电路，通过优化MOS管Mn3～Mn4的宽长比和电阻R1，2等参数大小，可获得低温漂系数的参考电压。

2 仿真结果

本文采用SMIC 0.18μm CMOS工艺对带隙基准电路进行了仿真验证。图2为基准电压的温度特性仿真曲线，在-40～125℃温度范围内，带隙基准输出电压温度系数为4.5ppm/℃。图3为基准电压的电源抑制比仿真曲线，在低频处获得-62dB的电源抑制比。

3 结语

本文在传统的△VGS带隙基准基础上引入一种与温度T成1.5次方的电流，并采用温度分段补偿技术，设计了一种高阶温度补偿的带隙基准电压源。仿真结果显示，该带隙基准源具有良好的温度特性，适用于高精度电路系统。

参考文献

[1]马卓，段志奎，杨方杰 等.1.8V供电8.2ppm/℃的0.18μm CMOS带隙基准源[J].国防科技大学学报，2011，3（3）：89-94.

[2]尹勇生，易昕，鄧红辉.一种带2阶温度补偿的负反馈箝位CMOS基准电压源[J].微电子学，2017，47（6）：774-776.

[3]LUIS H C. FERREI R A. TALES C.A CMOS threshold voltage reference source for very-low-voltage applications [J].Microelec J，2008，39（3）：1867-1873.

[4]Razavi B. Design of Analog CMOS Integrated Circuits [M].New York： McGraw-Hill.2001：27-28.

A high-order Temperature Compensated Bandgap Voltage Reference

ZHOU Si-min， XU Hai-feng

（College of optoelectronic engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065）

Abstract：A high-order temperature compensated bandgap voltage reference （BGR） was designed in SMIC 0.18μm CMOS process. Simulation results showed that the temperature coefficient of BGR was 4.5ppm/°C with a power supply voltage of 1.2V. The power supply rejection ratio of BGR was -62dB at a low frequency.

Key words：bandgap voltage reference;temperature compensated;temperature coefficient