一種低溫漂低功耗的帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)

0 引 言
    便攜式電子產(chǎn)品在市場(chǎng)上占有越來(lái)越大的份額，對(duì)低電壓、低功耗的基準(zhǔn)電壓源的需求量大大增加，也導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求有了較大的提高。帶隙基準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于數(shù)／模轉(zhuǎn)換、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器以及開(kāi)關(guān)電源等數(shù)模混合電路中。基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部電源的產(chǎn)生，輸出電壓的調(diào)整等都具有直接且至關(guān)重要的影響?；鶞?zhǔn)電壓必須能夠克服制造工藝的偏差，系統(tǒng)內(nèi)部電源電壓在工作范圍內(nèi)的變化以及外界溫度的影響。
    由文獻(xiàn)可知傳統(tǒng)的一階補(bǔ)償通常可以得到10 ppm／℃左右的溫度系數(shù)，而新發(fā)展的比較成熟的補(bǔ)償技術(shù)，包括二階溫度補(bǔ)償，分段線性補(bǔ)償，指數(shù)溫度補(bǔ)償?shù)绕渌难a(bǔ)償方法，文獻(xiàn)中所提及的電路的結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜，或受到比較多的工藝的限制，或運(yùn)用BiCMOS工藝，其制造成本比較高。在此設(shè)計(jì)一種以共源共柵電流鏡為負(fù)載的低溫漂高電源抑制比CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，利用新型核心電路和NMOS為輸入管的套筒式共源共柵運(yùn)算放大器使得帶隙基準(zhǔn)的輸出溫度系數(shù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)。

l 曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)
1．1 VBE的溫度特性
    由文獻(xiàn)可知，雙極型晶體管的VBE的溫度曲線不是簡(jiǎn)單地隨溫度做線性變化的，其溫度特性為：
   
其中：VBG0為由零度推導(dǎo)出的PN結(jié)外接電壓；T0為參考溫度，T為絕對(duì)溫度；VBE0是雙極晶體管在溫度為T0時(shí)的發(fā)射結(jié)電壓；η為與溫度無(wú)關(guān)，但與工藝有關(guān)的一個(gè)參數(shù)；α的值與集電極電流Ic的溫度特性有關(guān)(I0與溫度成正比即PTAT電流時(shí)α=1；當(dāng)I0是與溫度無(wú)關(guān)的電流時(shí)，α=0)。
式(1)中與溫度相關(guān)的非線性項(xiàng)作泰勒展開(kāi)可得：
   
其中：α0,α1...αn為常數(shù)項(xiàng)，傳統(tǒng)的帶系基準(zhǔn)電路工作時(shí)只將VBE和溫度有關(guān)的非線性項(xiàng)的一次項(xiàng)消除，輸出值仍與溫度的高階項(xiàng)呈現(xiàn)非線性的相關(guān)性。要進(jìn)一步的降低輸出的溫度相關(guān)性，就要使用新方法對(duì)VBE的非線性溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
1．2 帶隙基準(zhǔn)原理
    傳統(tǒng)帶系基準(zhǔn)的電路如圖1所示，其主要由襯底PNP、電阻和運(yùn)放構(gòu)成。利用具有負(fù)溫度特性的雙極型晶體管的VBE與具有正溫度特性的熱電壓vt，在適當(dāng)?shù)南禂?shù)下將兩者疊加，從而得到與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓。在T0處，推導(dǎo)式(1)與溫度的關(guān)系：
   

處于深度負(fù)反饋的運(yùn)放強(qiáng)制A，B點(diǎn)電壓近似相等，假設(shè)電阻R1,R2上流過(guò)的電流分別為I1和I2，而N為Q1，Q2發(fā)射極面積之比，因此：
   
寬長(zhǎng)比相同的PMOS管P1,P2使兩條支路的電流近似相等，且具有相同溫度特性，就可以得到以下輸出參考電壓：
   
上式對(duì)在T0處溫度求導(dǎo)可得：

    聯(lián)合上式和式(3)可以看出，只要選擇合適的電阻R1,R2值和數(shù)值N就可以得到一個(gè)溫度系數(shù)接近零的輸出電壓。
    帶隙基準(zhǔn)在設(shè)計(jì)中非常注重運(yùn)算放大器這個(gè)環(huán)節(jié)。首先運(yùn)算放大器的輸入匹配要求比較高，核心電路中PTAT電流的產(chǎn)生對(duì)后面有決定性的影響，如果可以設(shè)計(jì)一種高匹配的PTAT電流源，就可以保證運(yùn)算放大器的輸入端的匹配，使基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)生有了基本保障。其次運(yùn)算放大器有失調(diào)電壓，失調(diào)電壓也將被運(yùn)算放大器放大，運(yùn)放增益越大則被放大的噪聲越大。使用新的PTAT電流產(chǎn)生方法，使得能在帶隙基準(zhǔn)中使用較低增益的運(yùn)算放大器，就可以進(jìn)一步減小輸出電壓中包含的運(yùn)算失調(diào)電壓的影響。

2 新型帶系基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與分析
    在溫度300 kΩ 時(shí)，VBE的溫度系數(shù)約為一2．2 mV／℃，VT的溫度系數(shù)約為O．86 mV／℃。這里所提出的核心電路如圖2所示，使用雙極型晶體管構(gòu)成電路的核心部分，實(shí)現(xiàn)VBE和VT的線性疊加，得到溫度系數(shù)近似為零的輸出電壓。

2．1 核心電路
圖2中Q1和Q2，Q3和Q4的發(fā)射結(jié)面積相同，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，取Q1和Q2的發(fā)射結(jié)面積為Q3和Q4的發(fā)射結(jié)面積的46倍。假設(shè)雙極型晶體管基極電流為零，且運(yùn)放的增益足夠大，則A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓被迫相等：

其中：m為2條支路上的電流的比值；n為Q1和Q2的發(fā)射結(jié)面積之比。該電流是與絕對(duì)溫度成正比的PTAT電流，且與電源電壓無(wú)關(guān)。Vref的值為：

    圖2采用2個(gè)雙極型晶體管疊加的結(jié)構(gòu)，主要目的是減小運(yùn)放失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響。假設(shè)運(yùn)放的失調(diào)電壓為VOS，得到以下輸出電壓：
   
    由上式可得，要減小運(yùn)放的失調(diào)電壓的影響，可以增大括號(hào)中的第一項(xiàng)，也就是增大m或竹的值，取Q，和Q2的發(fā)射結(jié)面積為Q3和Q4的發(fā)射結(jié)面積的46倍就是為了減小失調(diào)電壓對(duì)輸出的影響，使用比較大的n值；其次，兩個(gè)相疊的雙極型晶體管使運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入電壓中均含有兩個(gè)疊加的VBE，減小核心電路中對(duì)運(yùn)算放大器的增益的需求，使得使用的運(yùn)算放大器的增益小于傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)中的運(yùn)算放大器的增益，從而使輸出中減小了運(yùn)放失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響。兩種方法使該電路輸出的基準(zhǔn)電壓有比使用傳統(tǒng)核心電路更低的溫度系數(shù)。
    此電路的缺點(diǎn)是比普通帶隙基準(zhǔn)多消耗1個(gè)電壓余度，兩個(gè)疊加的雙極型晶體管需要多消耗1個(gè)VBE，大約是0．7 V的電壓。電源電壓Vdd，至少需要2VBE+VDS1+VDS2，其中VDS1和VDS2分別為M1和M2的源漏電壓，共計(jì)3 V左右。在低電源電壓中應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)對(duì)共源共柵電流鏡的輸出電壓擺幅即所消耗的電壓余度的要求比較高。
2．2 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)
    要使帶隙基準(zhǔn)有高的電源抑制比，電路中使用的運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益和電源抑制比就必須足夠大。計(jì)算得運(yùn)放增益大約60 dB，使用了套筒式共源共柵結(jié)構(gòu)，以NMOS管作為輸入管，兩對(duì)PMOS管作為負(fù)載管。套筒式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗和消耗的電壓余度和都相對(duì)要更小，比較適合設(shè)計(jì)中低功耗的需求，并且可以解決核心電路中疊加的雙極型晶體管多消耗的一個(gè)電壓余度。圖3是帶隙基準(zhǔn)整體結(jié)構(gòu)圖，啟動(dòng)電路在核心結(jié)構(gòu)正常工作后自動(dòng)關(guān)斷，由圖可知運(yùn)算放大器所需要的偏置電流由帶隙基準(zhǔn)產(chǎn)生。

3 測(cè)試結(jié)果分析
    基于CSMCO．5μm DPTM CMOS工藝對(duì)版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)、流片。電路概貌圖如圖4所示。

    圖5是在3．3 V的電源電壓下，一40～+85℃的工作溫度范圍內(nèi)帶隙基準(zhǔn)的溫度特性曲線；表1是將電源電壓的設(shè)定范圍為2～4 V，對(duì)帶隙基準(zhǔn)電路的輸出電壓進(jìn)行測(cè)試，得到的電源電壓特性。

    圖5 3．3 V電源電壓下，溫度為一40～+85℃時(shí)的輸出電壓與工作溫度曲線圖5表示的是基準(zhǔn)電壓源的溫度特性曲線，測(cè)試結(jié)果表明此電壓源在工作溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)為2．563 ppm／℃。
    表1是電源電壓特性分布，在室溫下，電源電壓在2～4 V間變化時(shí)的輸出電壓，由表1可知，此電壓源在電源電壓為2 V時(shí)就可以正常工作?；鶞?zhǔn)電壓源在2～4 V間的輸出差值為413．9μV，即電源調(diào)整率為206．95 ppm。
    蒙特卡羅分析是用于衡量器件特性值對(duì)電路性能影響的一種測(cè)試分析方法。在每個(gè)蒙特卡羅分析中，器件的特征值被當(dāng)作潛在影響測(cè)試結(jié)果的因素并進(jìn)行分類，由于測(cè)試是隨機(jī)選取樣本，各個(gè)特征值也將是隨機(jī)。在一個(gè)完整的測(cè)試結(jié)束后，可以得到1個(gè)或多個(gè)結(jié)果。每一項(xiàng)性質(zhì)將得到一系列可被統(tǒng)計(jì)學(xué)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。對(duì)帶隙基準(zhǔn)而言，主要特征值包括制造中的摻雜濃度的分布，內(nèi)部電源電壓值的偏差和外界的溫度變化。
    分析測(cè)試結(jié)果的方法是將它們歸納在不同范圍中，每個(gè)范圍表示在所有結(jié)果中占有的比例。將這些范圍用柱狀圖表示出來(lái)，每部分柱狀圖都由其高度表示在總體中占有的數(shù)量。
    圖6是在室溫下選取80個(gè)芯片并對(duì)其帶隙基準(zhǔn)電路輸出電壓測(cè)試。由圖可以看出，輸出電壓有95％以上都分布在設(shè)計(jì)的輸出電壓周圍，在實(shí)際應(yīng)用中不需要trim就可以得到合適的輸出電壓。

4 結(jié) 語(yǔ)
    這里設(shè)計(jì)了一種具有低溫漂低功耗且不需要trim的基準(zhǔn)電壓源，利用低壓共源共柵電流鏡來(lái)減小輸出電壓對(duì)電源電壓的依賴。測(cè)試結(jié)果表示：電路在2 V電源電壓下就可以正常工作，輸出基準(zhǔn)電壓為1．326 65 V；在-40～+85℃之間的溫度系數(shù)為2．563 ppm／0C；電路在3．3 V電源電壓下，功耗僅為2．81 μW，可以廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電子設(shè)備中。