高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計

引言

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

　　近年來有研究指出，當(dāng)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?；谠撎匦裕?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/帶隙">帶隙基準(zhǔn)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(zhǔn)源。文獻(xiàn)中提到采用該設(shè)計原理的基準(zhǔn)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(zhǔn)源電路利用傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)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(zhǔn)源的穩(wěn)定要求。

　　1 帶隙基準(zhǔn)源的基本原理

　　帶隙基準(zhǔn)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(dǎo)，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(dá)到所希望的性能，更詳細(xì)地分析VBE與溫度的關(guān)系是必須的。帶隙基準(zhǔn)就是將負(fù)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(fù)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(fù)溫度系數(shù)，或者說PN結(jié)二極管的正向電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。從文獻(xiàn)可得到與溫度的關(guān)系式：

　　式中：η為與三極管結(jié)構(gòu)有關(guān)的量，其值大約為4;α為與流過三極管的電流有關(guān)的一個量，當(dāng)PTAT電流流過三極管時α為1，當(dāng)與溫度不相關(guān)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(fù)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：