一种高阶温度补偿带隙基准

冉波 聂海 毛煜

摘 要：文章基于通过控制mos管的栅极电压产生随着温度变化的补偿电流原理，采用0.5 μm BCD30 V工艺，设计一款二阶温度补偿带隙基准电压源，仿真结果表明，电源电压等于7V时，电路能够产生一个稳定的1.24 V输出电压，在-40～125C内，最小温度系数为3.47×10^-6/℃，最大温度系数为6.5×10^-6/℃，输出电压偏差3 mV。在7V电源电压下，100 kHz频率下电源抑制比为65 dB。

关键词：基准电源；高阶补偿；温度系数；电源抑制比

基准电压源是模拟集成电路中一个非常重要的模块，被广泛应用于高精度的DC/DC，ADC，DAC以及DRAM等集成电路设计中，这就要求基准电压需要高的电源抑制比，以及不随温度的变化而变化，因此，关键问题就是如何设计一个高电源抑制比、低温漂系数的高性能基准电压源[1]。由于带隙基准电路能够实现高的电源抑制比（Power SupplyRejection Ratio，PSRR）和低温漂系数，因为成为各种基准源中性能佳应用广的电路[2]。在传统的带隙基准电压源结构上，笔者通过叠加了一个与传统带隙电压随着温度具有相似变化曲率的电流，对传统的带隙基准进行补偿，因此得到一个精度高，且温漂低的基准电压[3]。

1 二阶补偿原理分析

文中提出的二阶温度补偿带隙基准电压源的补偿原理如图1所示。图1左侧是传统的一阶温度补偿：

α为正负温度补偿系数。然后，通过由负温度系数电压控制的工作于亚阈值区MOS管产生的补偿电压V_comp对一阶基准电压进行补偿，这个电压有着与V_ref相似的曲率变化，最后将两个电压相减，得到最终的二阶温度补偿电压：

2 电路设计

文中设计的二阶补偿带隙基准电压源电路如图2所示，该电路由启动电路、一阶温度补偿带隙基准电路和二阶温度补偿电路组成。

2.1 一阶补偿带隙基准的设计

图2左侧为文中提出的传统一阶补偿带隙基准电路，为整个电路提供一阶基准电压，不考虑中间二阶补偿电路，忽略MN2的分流，令V_ref电压为V_ref1，图中Q4，Q5，Q6，Q8，R7组成PTAT （Proportionalto Absolute Temperature）的电流，Q4，Q5具有一样的面积，Q6，Q8面积为1：8，MP2镜像MP1的电流，Q10的基极电压为：

其中，k为玻尔茲曼常数，T为热力学温度，q为电荷量，因此通过适当的调整R4，R7的宽长比，可以使得电路的正负温度系数相抵消，从而获得一阶补偿基准电压。

2.2 二阶温度补偿电路设计

图2右侧所示为文中提到的二阶补偿电路，MP4，

3 仿真结果与分析

基于0.5 μm BCD工艺模型，采用Cadence公司的仿真工具，对文中的二阶带隙基准电路的电路性能参数进行仿真验证。如图3所示，当电源电压为6V时，基准电压的温度曲线，图中可以看出，在温度从-30℃变化至130℃范围内，基准电压峰值之差为2 mV，即温度系数为TC=5.5×l0^-6/℃，因此，与传统的一阶温度补偿方法相比，文中提出的二阶补偿极大地提高了基准电压的温度稳定性[5-6]。

如图4所示，给出了设计的带隙基准源的电源抑制比曲线，低频电源抑制比为-75 dB，因此能够有效抑制电源电压变化引起的基准变化。

4 结语

负温度系数电压控制工作在亚阈值区域MOS管的栅极电压，产生一个跟一阶带隙电压一样温度变化趋势的补偿电压，提高了基准的温度稳定性，仿真结果表明，该基准电压在整个温度变化范围内电压波动没有超过3 mV，温度系数小于8 PPM，能够应用于对基准源精度要求高的场合。

[参考文献]

[1]何年乐，王忆.模拟集成电路设计与仿真[M].北京：科学出版社，2013.

[2]刘春娟，王永顺，刘肃.高精度低噪声基准电压源的设计[J]固体电子学研究与进展，2011 （6）：624-629.

[3]何开全，谭开洲，李荣强.高性能模拟集成电路工艺技术[J]微电子学，2004 （4）：398-401

[4]赵双龙.BCD工艺在电源管理IC设计中的应用[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]黎海明.高性能CMOS带隙电压基准源的研究与设计[D].成都：电子科技大学，2006.

[6]ALLEN P E， HOLBERG D R.CMOS analog circuit design[M].London： Oxford University Press， 2011.