帶曲率補償、工作電壓1.2 V、可調帶隙基準電壓電路

l 與溫度無(wú)關(guān)的基準

與溫度無(wú)關(guān)的電壓或電流基準在許多模擬電路中是必不可少的。如何產(chǎn)生一個(gè)對溫度變化保持恒定的量?假設有正溫度系數的電壓V1和負溫度系數的電壓V2，這兩個(gè)量以適當的權重相加，那么結果就會(huì )顯示出零溫度系數。選取a和b使得aV1/ T+bv2/ T=0，可以得到具有零溫度系數的電壓基準，VREF=aV1+bV2。

上述假設提供了一個(gè)可行的方法實(shí)現與溫度無(wú)關(guān)的電壓基準，就是分別找到正溫度系數的電壓和負溫度系數的電壓。

1.1 負溫度系數電壓

雙極晶體管的基極一發(fā)射極電壓VBE或者pn結二極管的正向電壓，具有負溫度系數。根據已推導的VBE溫度系數表達式[1]:

式(1)給出了在給定溫度T下VBE的溫度系數，大小與VBE本身有關(guān)。其中VT為熱電壓，Eg為Si的帶隙能量，m為遷移率的溫度指數。根據經(jīng)驗值，當VBE△750 mV，T=300 K時(shí)，VBE/T△-1.5 mV/℃。當然這些參數必須以實(shí)際所用的工藝庫為標準。

1.2 正溫度系數電壓

如果兩個(gè)雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么他們的基極一發(fā)射極電壓的差值就與絕對溫度成正比[1]。

假設兩個(gè)相同的晶體管(Is1=Is2)，基極和集電極分別短接，發(fā)射極接地，偏置的集電極電流分別為Ic1=nI0和Ic2=I0，其中n是晶體管Q2和Q1，的發(fā)射極面積比，忽略他們的基極電流，那么：

△VBE表現出正溫度系數：

1.3 帶隙基準

利用上述的負溫度系數電壓和正溫度系數電壓，可以設計出一個(gè)理想的零溫度系數基準。



2 常規電路

通過(guò)上述分析，我們知道帶隙基準由兩個(gè)部分組成，一部分是晶體管的偏置，另一部分是與絕對溫度成比例的電壓(Proportional to the Absolute Temperature，PTAT)。正負溫度系數電壓剛好相互抵消。衡量帶隙基準電壓性能一般采用兩個(gè)參數，溫度系數(Temperature Coefficient，TC)和電源電壓抑制比(Power Supply Rejection Ratio，PSRR)。

圖1所示為常規帶隙基準電壓電路。

設運放Vin-和Vin+相應的節點(diǎn)為A和B，根據理想運放輸入兩端虛斷的特點(diǎn)：



式(4)就是由常規電路得到的帶隙基準電壓VREF。在2.5 V工作電壓，進(jìn)行-25～125℃溫度掃描，從掃描結果(圖4中Voutl)可以看到，該電路得到的VREF大概在1.2 V左右，溫度系數TC=5.65 ppm/℃。對電源電壓進(jìn)行2～3 V掃描，VREF從1.18 V變化到1.179 V，電源電壓抑制比PSRR=55.4 dBo該電路的溫度系數還不夠理想，而且VREF不可調節，因此在常規電路的基礎上進(jìn)行改進(jìn)。

3 改進(jìn)電路

由于常規電路的溫度系數還不夠理想，而且VREF不可調節，因此改進(jìn)常規電路。圖2是文獻[2]提到的改進(jìn)電路。

分析該電路，同樣設運放Vin-和Vin+相應的節點(diǎn)為A和B，根據理想運放輸入兩端虛斷的特點(diǎn)：



式(5)就是改進(jìn)電路得到的帶隙基準電壓VREF。設R。=10 kΩ，通過(guò)VREF/ T=0，n=25，T=300 K時(shí) VBE／T△-1.5 mV/℃和 VT/ T△+0.087 mV/℃，可以計算出R1和R2的近似值。在2.5 V工作電壓，進(jìn)行-25～125℃溫度掃描，從掃描結果(圖4中Vout2)，可以計算出改進(jìn)電路的溫度系數TC=5．37 ppm/℃。對電源電壓進(jìn)行2～3 V掃描，VREF從62l.2 mV變化到620.5 mV，電源電壓抑制比PSRR=52.9 dB。VREF可以通過(guò)改變R2的阻值進(jìn)行調節，可調節范圍約為O～2．25 V，實(shí)際應用中，考慮電阻在工藝上的誤差，R3不宜取太小的阻值，因此VREF很難取到較小但又要求比較準確的電壓，同時(shí)為了保證輸出支路的PMOS管工作飽和區，所以合適的調節范圍約為O．5～2 V。從計算結果發(fā)現改進(jìn)電路的溫度系數5.37 ppm/℃與常規電路的溫度系數5.65 ppm/℃相比沒(méi)有得到較大改善，因此電路還需改進(jìn)。

4 曲率補償的帶隙基準電壓電路

在實(shí)際情況下，VBF并不是像我們前面分析電路工作時(shí)所認為的是與溫度成線(xiàn)性變化的關(guān)系。根據文獻[3]提到的經(jīng)驗公式：

其中η是取決于雙極性結構的參數，約為4，而a，當雙極型晶體管電流與絕對溫度成比例變化時(shí)，a為1，當電流與溫度無(wú)關(guān)時(shí)，a為0。

前面兩種電路分析過(guò)程都沒(méi)有考慮VBE的非線(xiàn)性項引入的誤差，為了得到更好的溫度系數，必須對非線(xiàn)性項進(jìn)行補償?；镜难a償方法是校正非線(xiàn)性項，減去含有恒定電流的結產(chǎn)生的VBE和含有與絕對溫度成比例變化電流的結產(chǎn)生的VBE。從圖2我們看到IQ1與絕對溫度成比例變化，IM2與溫度無(wú)關(guān)。因此，如果將IM2鏡像并注入到一個(gè)與雙極型晶體管相連接的二極管，可以產(chǎn)生帶恒定電流的VBE[2]。完整曲率補償的帶隙基準電路如圖3所示。R6和R7分別從M1和M2獲得額外的電流，該電流與上述兩種不同電流成比例。適當調整R6和R7的阻值可以實(shí)現預期的曲率補償。

圖3電路僅用兩個(gè)電阻的補償方法，比文獻[4]采用的方法要有效得多，而且比文獻[5，6]采用的方法要簡(jiǎn)單得多，因為文獻[5]采用運放，而文獻[6]采用開(kāi)關(guān)電容結構。

分析上述3種電路，并且用Cadence的仿真工具Spectre，SMIC標準0.25μm工藝，對上述3種電路進(jìn)行仿真，圖4就是3種電路在工作電壓2.5 V，-25～125℃條件下的仿真結果。帶曲率補償的帶隙基準電壓電路，從溫度掃描結果(圖4中Vout3)，可以計算出溫度系數TC=3.10 ppm/℃。對電源電壓進(jìn)行2～3 V掃描，VREF從646.5 mV變化到645.9 mV，PSRR=54.6 dB。結果證明圖3曲率補償的帶隙基準電壓電路在溫度系數上要優(yōu)于其他兩種電路。

通過(guò)標識3種帶隙基準電壓電路各個(gè)支路的電流，計算3種電路在2.5 V下的功耗，分別為0.72l mW，O.799 mW和0.859 mW。

5 運放設計

帶隙基準電壓電路也可以由PMOS和NMOS管構成的簡(jiǎn)單放大電路和雙極型晶體管組成，但是要得到比較高的電源抑制，一般都采用運放[1]。本設計所用到的三種帶隙基準電壓電路都是采用同一個(gè)運放。為得到較大的開(kāi)環(huán)增益，該運放采用圖2所示兩級共柵共源結構，工作電壓2.5 V，輸入共模范圍：O.7～1.7 V，輸出電壓擺幅：0.45～2.35 v，運放開(kāi)環(huán)增益85 dB，相位裕度55°，單位增益帶寬30 MHz，功耗0.645 mw。圖5為運放具體結構。

運放里面包含一個(gè)25μA的參考電流源，在文獻[1]所提到的結構，由于電阻的溫度系數比較大，在-25～125℃的溫度掃描中，在大于某一溫度以后運放會(huì )不再工作，原因是電阻上電壓的變化，使得該參考電流源中的MOS管不再工作在飽和區，為了解決這個(gè)問(wèn)題，用一個(gè)PMOS管M44代替原來(lái)的電阻，使得各個(gè)管子在-25～125℃的溫度范圍里都工作在飽和區。該參考電流源具有自啟動(dòng)和自關(guān)閉的功能，體現在NMOS管M50上，對其進(jìn)行0～3 V供電電壓進(jìn)行變量掃描，從流過(guò)M50的電流可以看到M50在供電電壓上升到O.25 V的時(shí)候會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟，有12.81 pA的微小電流流過(guò)，在2.17 V會(huì )自動(dòng)關(guān)閉。當電路開(kāi)始工作，電壓瞬間從0變化到2.5 V，M50會(huì )有一個(gè)開(kāi)啟和關(guān)斷的過(guò)程，從后面所用1.2 V工作電壓來(lái)看，發(fā)現M50在這個(gè)電壓下一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，但是仔細計算功耗，會(huì )發(fā)現即使M50一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，他對整個(gè)電路的影響也是微乎其乎，因為增加M50的前提是保證電流源能夠開(kāi)啟。

通過(guò)對3種帶隙基準電路進(jìn)行仿真，標識電路所有節點(diǎn)的電壓，可以看到運放正常工作，而且在-25～125℃溫度掃描中，兩個(gè)輸入端Vin+和Vin-的節點(diǎn)電壓相等，實(shí)現運放理想狀態(tài)的虛短。

6 工作在1.2 V的帶隙基準電壓電路

隨著(zhù)工藝的不斷發(fā)展和降低功耗的要求，電路的工作電壓不斷地降低。

在仿真和分析運放時(shí)，運放中的參考電流源在0.25 V電壓下就會(huì )開(kāi)啟，通過(guò)對圖3電路工作電壓從O～3 V進(jìn)行掃描，我們發(fā)現工作電壓大于1 V以后圖6電路就可以正常工作，為保證電路穩定工作，工作電壓可以取1.2 V。

通過(guò)-25～125℃VREF的仿真結果，計算出溫度系數TC=5.34 ppm/℃。對電源電壓進(jìn)行1.1～1.3 V掃描，VREF從625 mV變化到622.4 mV，PSRR=32.8 dB。溫度系數比工作在2.5 V下的溫度系數TC=3.10 ppm/℃大了很多。計算電路功耗為0.36 mW，如果從低壓和功耗這兩個(gè)方面來(lái)考慮，該電路也同樣具有可行性。

7 結 語(yǔ)

通過(guò)對3種帶隙基準電壓電路進(jìn)行分析和仿真，比較3種電路的實(shí)驗結果。如果要求較小的溫度系數，可以選擇帶曲率補償可調節的帶隙基準電壓電路，使其在2.5 V工作電壓下工作，在-25～125℃的范圍內，TC=3.10 ppm/℃，PSRR=54.6 dB，功耗為0.859 mW。如果要求較低的工作電壓，電路可以工作在1.2 V下，功耗為0.36 mW，但是前提是犧牲一定的溫度系數和電源電壓抑制比，因為在1.2 V電壓下，運放工作穩定性會(huì )相對較差。