高精度CMOS帶隙基準源的設計

引言

　　模擬電路中廣泛地包含電壓基準(reference voltage)和電流基準(current reference)。在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路中，基準電壓的精度直接決定著這些電路的性能。這種基準應該與電源和工藝參數(shù)的關系很小，但是與溫度的關系是確定的。在大多數(shù)應用中，所要求的溫度關系通常分為與絕對溫度成正比(PTAT)和與溫度無關2種。

　　近年來有研究指出，當漏電流保持不變時，工作在弱反型區(qū)晶體管的柵源電壓隨著溫度升高而在一定范圍內(nèi)近似線性降低。基于該特性，帶隙基準源所采用的基極-發(fā)射極結(jié)可以被工作在弱反型區(qū)的晶體管代替產(chǎn)生低溫度系數(shù)的基準源。文獻中提到采用該設計原理的基準源，利用0.13μm工藝的低閾值電壓NMOS管和襯底調(diào)整的PMOS管實現(xiàn)其中的放大器。本文所采用的基準源電路利用傳統(tǒng)帶隙基準源的核心電路原理，通過飽和狀態(tài)MOS等效電阻對PTAT電流動態(tài)反饋補償，基本實現(xiàn)了基準源的穩(wěn)定要求。

　　1 帶隙基準源的基本原理

　　帶隙基準源可以在0～70℃的溫度范圍內(nèi)有l(wèi)O ppm/℃的溫度系數(shù)。由室溫下溫度系數(shù)為-2.2 mV/℃的PN結(jié)二極管產(chǎn)生電壓為VBE。同時也產(chǎn)生一個熱電壓VT(VT=kT/q)，其與絕對溫度(PTAT)成正比，室溫下的溫度系數(shù)為0.085 mV/℃，則輸出電壓為：

　　將式(1)對溫度求導，用VBE和VT的溫度系數(shù)求出理論上不依賴于溫度的K值。為了達到所希望的性能，更詳細地分析VBE與溫度的關系是必須的。帶隙基準就是將負溫度系數(shù)的電壓與正溫度系數(shù)的電壓加權(quán)相加來抵消溫度對輸出電壓的影響。

　　1.1 負溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生

　　雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓具有負溫度系數(shù)，或者說PN結(jié)二極管的正向電壓具有負溫度系數(shù)。從文獻可得到與溫度的關系式：

　　式中：η為與三極管結(jié)構(gòu)有關的量，其值大約為4;α為與流過三極管的電流有關的一個量，當PTAT電流流過三極管時α為1，當與溫度不相關的電流流過三極管時為O;T0為參考溫度;VBG為硅的帶隙電壓。由式(1)可以看出VBE是一個具有負溫度系數(shù)的電壓。

　　1.2 正溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生

　　兩個三極管工作在不同的電流密度下，它們的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對溫度成正比。如果兩個同樣的三極管(IS1=IS2)，偏置的集電極電流分別為nI0和I0，并忽略他們的基極電流，那么：