一種高精度低溫漂帶隙基準源設計

摘要 基于TSMC40 nm CMOS工藝設計了一種高精度帶隙基準電路。采用Spectre工具仿真，結果表明，帶隙基準輸出電壓在溫度為-40～125℃的范圍內具有10×10-6／℃的溫度系數，在電源電壓在1．5～3．3 V變化時(shí)，基準輸出電壓隨電源電壓變化僅為0．42 mV，變化率為0．23 mV／V，采用共源共柵電流鏡后，帶隙基準在低頻下的電源電壓抑制比為-72 dB。
關(guān)鍵詞 帶隙基準；溫度系數；電源電壓抑制比；高階補償

在模擬電路基本模塊中，基準源是必不可少的基本模塊。廣泛應用于模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)、低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)、電壓調節器、高精度比較器、電壓檢測器等模擬和數?；旌霞呻娐分?，其性能好壞直接影響著(zhù)系統的性能穩定。
在集成電路中，有3種常用的基準源：掩埋齊納基準源、XFET基準源和帶隙基準源。掩埋齊納基準源和XFET基準源的輸出溫度穩定性良好，但制造流程都不能兼容標準CMOS工藝。而帶隙基準源電路具有低溫度系數、高電源抑制比、以及能與標準CMOS工藝相兼容等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的研究與應用，它為系統提供一個(gè)與電源電壓、工藝參數和溫度其無(wú)關(guān)的直流電壓或電流。

1 帶隙基準原理
帶隙基準的基本原理就是將兩個(gè)具有相反溫度系數的電壓以一個(gè)合適的權重相加，最終獲得具有零溫度系數的基準電壓。假如V1和溫度變化方向相同，也就是說(shuō)具有正溫度系數V2和溫度的變化方向相反，具有負溫度系數。以合適的權重將這兩個(gè)電壓相加，選取適當的a和b系數使其滿(mǎn)足

雙極型晶體管具有以下兩個(gè)特性：
(1)雙極型晶體管的基一射極電壓VRE具有與絕對溫度成反比的特性。
(2)在不同集電極電流的情況下，兩個(gè)雙極型晶體管的基-射極電壓差值△VRE與絕對溫度成正比。
將得到的正負溫度系數的電壓VRE和△VRE分別乘以一個(gè)合適的系數a和b，然后相加減
VREF=aVRE+bVTlnn (3)
這樣就可以得到—個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的零溫度系數電壓。

2 電路設計
2．1 帶隙核心電路設計
圖1中，R2a=R2b=R2，而且是相同類(lèi)型的電阻。高增益的運算放大器使電路工作在深度負反饋狀態(tài)，假設VX=VY，那么流過(guò)電阻R2a和R2b的是與溫度成反比的電流，而流過(guò)電阻R1的是與溫度成正比的電流，這兩個(gè)電流求和后，通過(guò)電流鏡取出，最后在電阻R3上產(chǎn)生壓降，即為基準輸出電壓。

假設Q0和Q1的發(fā)射結面積之比為N，那么流過(guò)電阻R1的電流為

由式(6)可知，可以通過(guò)改變R3／R2的比值來(lái)調整輸出電壓。