一種采用二次曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源

1 引 言

帶隙基準(zhǔn)源廣泛應(yīng)用于各類集成電路|0">集成電路之中。在現(xiàn)代集成電路日益發(fā)展的今天，帶隙基準(zhǔn)源扮演了極其重要的角色。在A／D，D／A轉(zhuǎn)換器以及一些模擬和數(shù)字電路中，帶隙基準(zhǔn)源起著至關(guān)重要的作用，它的溫度特性和抗噪聲能力直接決定了整體電路的精度和性能。因此，提高帶隙基準(zhǔn)源的精度是十分重要的。

本文介紹帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源的原理，并將其與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行比較，突出其在溫度特性上的優(yōu)點(diǎn)，并介紹一種運(yùn)用曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源電路。

2 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源原理

帶隙基準(zhǔn)的原理是產(chǎn)生分別帶正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的電壓，然后通過(guò)電路讓其相加得到溫度系數(shù)很小，甚至沒(méi)有溫度系數(shù)的電壓。

傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

負(fù)溫度系數(shù)電壓由雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓產(chǎn)生。我們可以得到：

正溫度系數(shù)電壓由工作在不同電流密度的兩個(gè)雙極型晶體管產(chǎn)生，其結(jié)電壓VBE的差值△VBE就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)。當(dāng)兩個(gè)晶體管的尺寸相同，但集電極的電流分別是nIS1IS2。那么可得：

其中IS1=IS2。該溫度系數(shù)與溫度或集電極電流特性無(wú)關(guān)。

上述帶正負(fù)溫度系數(shù)的電壓，通過(guò)如圖1所示方式相加，可得：

為了得到零溫度系數(shù)，可以通過(guò)調(diào)整R2，R3的大小得到。但是傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源在工作溫度變化幅度比較大時(shí)，輸出電壓的精度會(huì)變低。

3 運(yùn)用曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源

3.1 曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源原理

雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE并不隨溫度線性變化，而是由式(5)確定：

其中，VBG是硅的能隙電壓，它只與材料本身有關(guān)。η是硅遷移率的溫度系數(shù)，其值大約為4。從上式可以看出，VBE可分為常數(shù)項(xiàng)，與溫度一階相關(guān)項(xiàng)和高階相關(guān)項(xiàng)。在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源中，正溫度系數(shù)只補(bǔ)償了一階相關(guān)項(xiàng)，得到的電壓與溫度高階相關(guān)。

因此，為了消除高階項(xiàng)對(duì)電壓的影響，電路中要引入帶正溫度系數(shù)的高階項(xiàng)電壓。式(5)中，當(dāng)流過(guò)二極管的電流為PTAT電流時(shí)，a=1?？傻茫?

當(dāng)流過(guò)二極管的電流與溫度不相關(guān)時(shí)，a=0?？傻茫?

將式(6)，式(7)相減，即可得與溫度高階相關(guān)項(xiàng)成正比的電壓。

3.2 帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)及其分析

圖2所示為新型帶隙基準(zhǔn)源電路的核心部分。相比傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路中采用運(yùn)算放大器的兩端產(chǎn)生等電位的方式，該電路使用的方式更加精確。傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路使用運(yùn)算放大器的兩端作為電路的等電位點(diǎn)，但運(yùn)算放大器存在輸入失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電壓會(huì)影響基準(zhǔn)電壓的精度。新型帶隙基準(zhǔn)電路采用自舉電流源強(qiáng)制Q1和Q2的電流相等，消除了運(yùn)算放大器失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，并且電路具有較高的電源電壓抑制比。同時(shí)，該電路不僅能產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且能產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電流源。

圖2中，Q1，Q2，R1，R2，R3產(chǎn)生了帶隙基準(zhǔn)電路的一階溫度補(bǔ)償。Q1和Q2流過(guò)的電流相等。Q1的尺寸是Q2的4倍，那么流過(guò)R2的電流為：

由基爾霍夫定律，將式(9)，式(10)，式(13)相加后，可以得到流過(guò)該電流源的電流，并通過(guò)鏡像電流源產(chǎn)生與溫度不相關(guān)的電壓Vref，其輸出電壓表達(dá)式為：

式(14)中，I2可對(duì)輸出電壓進(jìn)行一階溫度補(bǔ)償，I3可對(duì)輸出電壓進(jìn)行二階溫度補(bǔ)償。然后通過(guò)調(diào)整電路中的電阻值，可以得到理論上與溫度無(wú)關(guān)的高精度電壓源。

4 仿真結(jié)果與分析

本文基于0.6μm的CMOS工藝模型，并用Spectre進(jìn)行了仿真。圖3給出了經(jīng)過(guò)曲率補(bǔ)償后的溫度掃描曲線。經(jīng)過(guò)二次曲率補(bǔ)償?shù)那€，在-50～+125℃的溫度范圍中，最大和最小值之差僅為1.98 mV，平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路和帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路，在理論上闡述了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)的不足以及帶曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路的先進(jìn)之處，提出了一種帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源電路，經(jīng)過(guò)仿真，在-50～+125℃的溫度范圍中，新型帶隙基準(zhǔn)電路的平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。該結(jié)果顯示帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路具有更好的溫度特性。