一種高精度低溫漂帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

摘要 基于TSMC40 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種高精度帶隙基準(zhǔn)電路。采用Spectre工具仿真，結(jié)果表明，帶隙基準(zhǔn)輸出電壓在溫度為-40～125℃的范圍內(nèi)具有10×10-6／℃的溫度系數(shù)，在電源電壓在1．5～3．3 V變化時(shí)，基準(zhǔn)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(zhǔn)在低頻下的電源電壓抑制比為-72 dB。
關(guān)鍵詞 帶隙基準(zhǔn)；溫度系數(shù)；電源電壓抑制比；高階補(bǔ)償

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

1 帶隙基準(zhǔn)原理
帶隙基準(zhǔn)的基本原理就是將兩個(gè)具有相反溫度系數(shù)的電壓以一個(gè)合適的權(quán)重相加，最終獲得具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓。假如V1和溫度變化方向相同，也就是說具有正溫度系數(shù)V2和溫度的變化方向相反，具有負(fù)溫度系數(shù)。以合適的權(quán)重將這兩個(gè)電壓相加，選取適當(dāng)?shù)腶和b系數(shù)使其滿足

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(duì)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(duì)溫度成正比。
將得到的正負(fù)溫度系數(shù)的電壓VRE和△VRE分別乘以一個(gè)合適的系數(shù)a和b，然后相加減
VREF=aVRE+bVTlnn (3)
這樣就可以得到—個(gè)與溫度無關(guān)的零溫度系數(shù)電壓。

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

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

由式(6)可知，可以通過改變R3／R2的比值來調(diào)整輸出電壓。