一种高阶补偿低温漂带隙基准源

邓玉清，高 宁

（中国电子科技集团公司第58 研究所，江苏 无锡 214035）

0 引 言

高性能的模拟、数字电路中，系统的稳定工作离不开稳定的、对环境温度变化和电源电压变化敏感度低的基准电压源。这类基准电压源通常作为内部电源为电路中的重要模块电路，如A/D、D/A、LDO（低压差线性稳压器）等电路提供参考电压或者稳定电压、电流[1]。尤其对于模拟电路而言，基准电压源的稳定与否对整个电路的性能与稳定性有着至关重要的影响[2-3]。

文献[4]采用基极电流补偿方法降低带隙基准的温漂特性，所得到的温漂系数为9.1 ppm/℃；文献[5]提出采用负反馈补偿网络来提高带隙基准的稳定性和精度，得到的温漂为34.6 ppm/℃；文献[6]采用引入跟随温度变化的渐变阻抗设计来降低温漂，温漂为6.4 ppm/℃。

1 基准电路工作原理

基准电路的产生原理是利用两个具有正、负温度特性的电压进行一定比例权衡相加，从而得到一个不随温度变化的稳定电压输出，其数学原理如图1 所示。

图1 基准电路逻辑图

基准电路的表达式为：

根据上述原理，选用带有负温度系数的VBE以及带有正温度系数的ΔVBE进行一定比例的叠加，就能得到一个几乎不随温度变化的稳定基准源。式（1）对温度T进行微分可得：

2 电路设计

传统的带隙基准结构如图2 所示。

图2 传统带隙基准结构图

图2是传统带隙基准电路的示意图，其输出带隙基准电压VREF可表示为：

式中：VT是温度T的一次函数；N为三极管Q2与Q1的数量比。可以通过精确调整电阻比例，使得式（1）中VBE的一阶温度系数抵消，得到一个几乎不随温度变化而变化的电压，但实际上双极型晶体管的VBE并不是随温度呈线性变化的，其温度特性为：

式中：VG( )T是温度为0 K 时外推得到的PN 结二极管电压；T为绝对温度；Tr是参考温度，是一个给定的常数温度；η是电场因子由工艺决定的常数；IC是与温度有关的高级变量，因此可以设定IC（T）=FTδ。式（4）可以写为：

式中，TlnT为非线性分量。综上可知，传统结构的带隙基准电路只能消除一阶温度系数影响，并不能消除VBE中的高阶项对温度的影响。针对上述问题，本文提出一种带有高阶补偿结构的低温漂带隙基准电路，如图3所示。

图3 高阶补偿低温漂带隙基准电路

为了减少VBE中的高阶项受温度的影响，对传统的一阶补偿带隙基准结构作进一步的补偿。补偿的方法是：直接产生一个带有高阶温漂系数项的变量，叠加至原有的结构中进行权衡。产生原理是：利用当三极管的集电极电流具有不同温度特性时，其基极与发射极的电位之差含有温度T的高阶系数项，叠加至原结构中最终得到一个温漂系数更低的带隙基准源。

图3 所示的具有高阶补偿的低温漂带隙基准电路在原有的基础上，增加一个四输入运放A1，其中一输入对（跨导为gm2）和运放A2配合产生补偿的高阶项，三极管Q1∶Q2∶Q3的比例为1∶24∶1，R1、R2、R3和R4为同类型电阻，电阻R6=R7，负反馈环路中运放的虚短，使得流经Q1和Q2的电流具有相同的温度特性。因此基准输出公式为：

式中：VT具有正温系数特性；VBE具有负温系数特性。因此合理设置电阻R1～R4的阻值就能得到近似于稳定的带隙基准电压VBG。另外，根据式（5）可知，VBE1含温度T的高阶函数，因此不加高阶补偿的基准仍具有较大幅度的温度曲线。本文采用运放A2，三极管Q3，电阻R5、R6、R7以及电流镜P4和P5构成负温系数电流反馈结构，用于补偿VBE中的高阶项，具体原理为：当运放A2的增益足够大，根据虚短特性在电阻R5上叠加一个负温系数电压VBE3，产生相应的负温系数电流，经过电流镜镜像在三极管Q3上产生一个负温特性的集电极电流IC3；由于Q3又连接到运放A1的负端，因此会和接正端的Q2之间形成一个电压差值ΔVBE3，又因Q2的集电极电流具有正温特性，因此三极管Q3与Q2的基极与发射极压差中，存在一个含温度T的高阶变量项TlnT。设这个压差经过运放A1放大后值为K1TlnT；同时该压差中包含一个正温系数项，经过运放A1放大后设为K2T，与VBE1进行叠加，进一步降低了带隙基准电压对温度的敏感性。由此可知，稳定的带隙基准电压VBG为：

式中：gm2为四输入运放中输入端的跨导（见图3 箭头所示），gm2由输入对的工作点和器件宽长比决定；系数K1和K2受电阻R5阻值、温度系数影响。合理设置输入对的宽长比参数以及调节电阻R5的阻值，可对VBE中随温度变化的高阶项进行补偿，从而得到温漂系数较低的带隙基准电压输出。在选定工艺时，温度系数一般不能自由选择，可通过改变电阻R5的阻值来调整。此外，为了降低运放输入失调电压VOS的影响，设定电阻R3∶R2的宽长比值为1∶2。

图4 为带有高阶补偿的低温漂带隙基准电路整体结构图，包含启动模块、带隙基准核心模块、高精度电流镜结构、高阶温度补偿模块等。增加的启动模块用于使电路摆脱启动时的简并点，启动原理是：二极管结构的P8与电阻R1构成开启给P7、N2以偏置电压，电路工作，由于R1阻值非常高，引入的P6管电流抬高P7、P8的栅极电压，使其关断，整个电路完成启动。为了降低电流镜失配的影响，设计了高精度电流镜结构，其原理是：利用运放A1和A2的“虚短”特性，强制电流镜中PMOS 管的漏极电位相等，从而实现镜像电流的精确复制，得到高精度的镜像电流。

图4 高阶补偿低温漂带隙基准整体架构图

3 版图设计

本文提出的高阶补偿的低温漂带隙基准电路采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺完成设计，在版图设计中，充分考虑三极管和电阻匹配性问题，面积为370 μm×330 μm。高阶补偿低温漂带隙基准版图如图5所示。

图5 高阶补偿低温漂带隙基准版图

使用Spectre 仿真工具对整个电路进行仿真，电源电压为5 V，扫描温度范围为-55～125 ℃，温度特性曲线如图6 所示。

可以算出，电路在设定温度范围内的温度系数仅为2.52 ppm/℃，具有较低的温漂特性。

设定电源电压为5 V，将工艺角拉偏，分别在"tt""ss""ff"情况下进行仿真，结果如图7 所示。由图7 的结果可看出带隙基准电路的对应情况下的输出温漂分别为2.52 ppm/℃、2.29 ppm/℃、2.40 ppm/℃。

图7 工艺角仿真温漂曲线

图8为低温漂带隙基准电路的电源抑制比仿真结果，可以看出，在低频时的电源抑制比约为-78 dB，具有良好的电源波动抑制能力。

图8 电源抑制比仿真结果

表1 列出了本文所设计的高阶补偿低温漂带隙基准与相关文献工作的对比，可看出本文所设计的电路在一些指标上具有明显的优势。

表1 本文设计电路与其他电路的仿真对比

4 结 语

在对传统带隙基准结构分析的基础上，针对其固有的一阶温度补偿缺点，提出了一种带有高阶补偿结构的低温漂带隙基准源电路，采用0.18 μm CMOS 工艺完成设计。仿真结果表明，所设计电路在-55～125 ℃的温度范围内获得了2.52 ppm/℃的温度系数。本文的设计可用于DC/DC 电路、A/D 和D/A 转换电路以及数据采集电路等。