一种高阶补偿的开关电容带隙基准电路设计

陆 婷，冯 喆

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110000）

1 引 言

带隙基准源是模拟电路设计中不可或缺的一个单元模块，广泛应用于各类模数转换器、电源管理等芯片中，为系统提供直流参考电压。传统的连续时间带隙基准电路，由于受运放失调电压和1/f噪声影响较大，而且为降低功耗，一般情况下会采用大阻值电阻，这都将牺牲大量芯片面积[1]。相比之下，基于开关电容的离散时间带隙基准电路可以解决运放的失调电压问题，正温电压与负温电压之间没有直流电流，可使功耗最小化，因此为实现低压低功耗高精度基准提供了有效的解决方案，现已广泛应用于开关电路中。本次设计，即要在介绍传统连续型和开关型基准架构的原理及优缺点的基础上，详细展开具有曲率补偿的基准电压源的设计。

2 带隙基准电压源原理

双极型晶体管（BJT）的基极-发射极电压（VBE）与绝对温度成反比；在不同电流密度下，两个双极型晶体管的电压差ΔVBE又与绝对温度成正比。故此可通过一定的比例系数α、β 加权使正负温度漂移相互抵消，从而得到在某一温度下具有零温度系数的电压基准[2]。这一过程可用如下公式表述：

以此原理，可实现基准电压在某一温度域的“拱形”输出，但温度系数难以做到10-5/℃以下。在高精度应用下，往往需要温度系数更小的基准电压，这时可通过二阶补偿的方式降低温度系数，通过电路架构引入二阶补偿项γΔVBE2，以获得温度系数更小的“正弦型”输出基准电压，公式如下：

3 传统带隙电压基准架构

传统连续型带隙电压基准电路[3]和传统开关电容型带隙电压基准电路[4]的电路构造分别如图1 和图2 所示。

图1 传统连续型带隙电压基准电路

图2 传统开关电容型带隙电压基准电路

其中I1=I2=I3，Q1、Q2发射结面积比为1：n。引入失调电压源VOS，可推导出基准电压公式如下：

传统连续输出基准电压：

开关电容型输出基准电压为：

通过式(2)、式(3)、式(4)对比发现：两种结构都无法完全消除掉失调电压的影响。传统基准电路会将运放的失调电压放大后输出，严重影响基准电压的温度特性。传统架构的开关电容型基准电路虽没能消除失调电压，但失调电压没有经放大后输出，相对于传统型基准电路而言，具有更好的温度系数[5]。

4 新型带隙电压基准架构

新型开关电容型基准电压采用自动调零技术[6]消除了失调电压的影响，并且通过架构巧妙地引入二阶补偿项，从而使基准电压获得更小的温度系数。电路架构如图3 所示。

图3 采用自动调零开关电容式带隙电路等效图

图3(a)中，Q1、Q2管并联个数相同，通过电流比例1：N 来产生ΔVBE；通过Q3、Q4、I2、I3来产生补偿电压用来存储ΔVBE，C2用来存储失调电压VOS，C3用来存储补偿电压假定运放A 为理想运放，引入失调电压源VOS。

当S1闭合、S2断开时，电路进入采样阶段，如图3(b)，运放输出端与反向输入端连接，运放为单位增益接法，有：VP=VN=VO=VBE1(n-1)-VOS。运放两端的失调电压VOS会存储在电容C2中，由采样阶段到放大阶段过程中VOS会被消除掉[7]。在闭合面S1中以运放反相端为参考点，则闭合面S1总电荷量如下式：

当S2闭合、S1断开时，此时电路进入放大阶段，如图3(c)。注意此时Q1管的发射极电流为N·I1，在闭合面S2中以运放反相端为参考点，则闭合面S2总电荷量如下式：

根据电荷守恒定律Qn=Q(n-1)，计算推导得到基准电压Vo公式如下：

最终基准电压VO公式如下：

由于有失调消除电路的存在，运放输入级可以用大宽长比的器件, 一方面提高了输入级的跨导、减小沟道调制效应, 另一方面还减小了1/f 噪声。

5 电路仿真

仿真条件为电源电压3.3 V，时钟频率40 kHz，室温25 ℃，TT 工艺角。仿真得到瞬态输出波形如图4 所示。输出电压约为1.1533 V。电路可在2.7 V耀5.5 V 电压下工作，线性调整率为0.126 mV/V。

图4 瞬态仿真波形图

该电路是开关电容式带隙基准，不能通过直流仿真得到基准电压的温度特性曲线，所以在TT 工艺角下，-55℃到125℃温度范围之内，每摄氏度测量一次输出电压，将电压数据导入MATLAB 软件中得到基准电压的温度特性曲线，如图5 所示。曲线为“正弦型”，温度系数约为4.17×10-6/℃。考虑工艺偏差，SS、FF 工艺角下温度系数分别为5.73×10-6/℃、6.19×10-6/℃。

图5 输出电压温度特性曲线

开关电路中在时钟跳变过程中会产生噪声，但是使用失调消除技术，噪声引起的失调也会得到消除。此外，通过增大工作电流或运放输入管尺寸，也能降低噪声的影响。

开关型基准源与传统连续型基准源的关键性能对比详情见表1。经对比发现，在相同工艺下，开关型基准源各项参数指标均优于传统基准结构，并且受失调电压的影响非常小，具有更小的温度系数和线性调整率。这些特点，令其尤其适用于高精度、多电源域、低功耗的电路中[8]。

表1 性能对比详表

6 结 束 语

在对这一款开关电容型带隙基准电路的设计中，利用了电容和模拟开关取代电阻，并在架构上引入高阶补偿项以获得更小的温度系数。采用自动调零技术消除了运放失调电压的影响，在较大失调电压的影响下，仍可以保持精确的电压输出。芯片具有良好的温度特性，在0.35 μmCMOS 工艺下实现，温度系数做到了4.17×10-6/℃，在20 mV 的失调电压下，电压漂移仅为20 μV。该电路对于各式仅在开关动作的某个时刻内需要精确电压基准的电路及低功耗电路中将有良好表现，具有一定推广价值。