新型電流模式曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)

　　同時(shí)，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度的不斷提高，基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性也面臨著新的挑戰(zhàn)。許多曲率補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，諸如：二次溫度補(bǔ)償、指數(shù)溫度補(bǔ)償、分段線性曲率校正、電阻溫度補(bǔ)償?shù)鹊?。除了上述的這些方法外，M.D.Ker和J.S.Chen還提出了一種可工作在1 V以下的新型曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)，所用的結(jié)構(gòu)利用到了NPN和PNP兩種寄生雙極型晶體管(BJT)。本文提出了一種類似的補(bǔ)償技術(shù)，但僅需用到PNP型BJT。

　　1 傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)源的工作原理

　　圖1是傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)的電路結(jié)構(gòu)。該基準(zhǔn)電路能夠工作在低電源電壓的關(guān)鍵是將電壓疊加轉(zhuǎn)換成電流疊加。如圖1所示，輸出電流和輸出電壓可分別表示：

　　式中：VT是熱電壓，VT=kT/q;k為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K);q為電子的帶電量(1.6×10-19C)，N為BJT管Q1和Q2的發(fā)射結(jié)面積比。以上兩式的最后一項(xiàng)都是線性正比于絕對(duì)溫度(PTAT)，被用于補(bǔ)償Veb2的負(fù)溫度系數(shù)。只要合適地選擇N，R1，R2和R3，就能得到一個(gè)具有低溫度漂移特性，且值低于1 V的參考電壓。然而，與式(2)的最后一項(xiàng)相比，Q2的射基電壓(Veb2)并不是關(guān)于溫度理想線性的。BJT管的

　　射基電壓Veb可以表示為：

　　式中：VG為0 K時(shí)硅材料的外推帶隙電壓值;η為與工藝技術(shù)相關(guān)的系數(shù);m為BJT管集電極電流的溫度依賴階數(shù);T0為參考溫度。

　　上式中包含了一個(gè)溫度非線性項(xiàng)Tln(TVT/T0)。將式(3)做泰勒展開，可得：

　　式中：a0，a1，a2，…，an都是常數(shù)。一階溫度補(bǔ)償技術(shù)主要是補(bǔ)償a1T項(xiàng)，這是傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的情況。若要得到更低的溫度系數(shù)，需要采用曲率補(bǔ)償技術(shù)去補(bǔ)償式(4)中的那些高階項(xiàng)。類似于圖1，本文提出的電路結(jié)構(gòu)也基于電流疊加模式原理。電路中引入了第三個(gè)電流，以補(bǔ)償Veb的非線性，實(shí)現(xiàn)曲率補(bǔ)償。

　　2 新型曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)結(jié)構(gòu)

　　2.1 電流IREF2的引入

　　從式(3)可以看出來，Veb的非線性特性可以通過改變BJT管的集電極電流溫度特性加以控制。本文將要介紹的溫度補(bǔ)償技術(shù)正是基于這個(gè)性質(zhì)。圖2顯示了第三個(gè)電流IREF2的引入。如圖2所示，IREF2是由BJT管Q2的射基電壓產(chǎn)生的，Q2的集電極電流是一個(gè)與溫度無關(guān)的電流IREF，由輸出參考電流鏡像得到。因此，與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)的BJT管的射基極電壓不同，管Q2的射基電壓VebQ2的m=0。下面將具體介紹如何利用IREF2進(jìn)行曲率補(bǔ)償。

2.2 電路結(jié)構(gòu)與分析

　　實(shí)現(xiàn)低壓工作和曲率補(bǔ)償?shù)耐暾娐方Y(jié)構(gòu)如圖3所示。該電路共包含了5個(gè)部分：2個(gè)電流生成電路，1個(gè)偏置電路，1個(gè)啟動(dòng)電路和1個(gè)電流相減電路。圖中IREF1是2個(gè)電流之和，由傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路產(chǎn)生，可表示為：

　　

　　通過電流鏡的鏡像，得到IREF為：

　　

　　式中：K1是M3和M2的寬長(zhǎng)比比值;K2是M9和M7的寬長(zhǎng)比比值。因?yàn)镼1a和Q1b的集電極電流為PTAT電流IPTAT，而Q2的集電極電流為與溫度無關(guān)的電流IREF，回顧式(3)，VebQ1a和VebQ2可分別寫成：

　　

　　通過改變RREF的阻值，可以得到數(shù)值在VDSsat(M9)和VDD-|VDSsat(M3)|之間的任何電壓值。晶體管M1～M4工作在飽和區(qū)，當(dāng)漏端電流減小時(shí)，它們的源漏電壓可以很小。所以，該帶隙電路的VDD理論上可以降至Veb(典型情況為0.7 V)。上述電路中，電流鏡被充分使用，不但用于產(chǎn)生參考電流，管Q2的偏置電流，還用于偏置運(yùn)放。為了最大限度地減小電流鏡的失配，管子的長(zhǎng)度應(yīng)取足夠長(zhǎng)，并且輸出電壓取值宜在0.6 V左右。Ms1～Ms5構(gòu)成了啟動(dòng)電路，以避免電路工作在零電流狀態(tài)。Ms2的寬長(zhǎng)比應(yīng)小于1，確保電路啟動(dòng)后Ms3～Ms5是完全關(guān)斷的。

　　

　　3 仿真驗(yàn)證

　　采用標(biāo)準(zhǔn)0.18μm CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，HSpice仿真結(jié)果表明，該電路能在1～2.1 V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作，并得到0.9 mV/V的電源調(diào)整率。圖4為電源電壓在0～2.1 V變化范圍內(nèi)，溫度300 K時(shí)參考電壓的輸出波形。圖5顯示了輸出參考電壓VREF的溫度特性，在-55～+125℃的溫度范圍內(nèi)，該電路平均輸出電壓為623 mV，溫度系數(shù)達(dá)到4.2 ppm/℃。

　　

　　4 結(jié)語

　　本文提出了一種新穎的曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。通過3個(gè)具有不同溫度依賴性質(zhì)的電流的適當(dāng)疊加，從而產(chǎn)生一個(gè)具有極低溫度系數(shù)的參考電壓。仿真結(jié)果表明，該電路在1 V電源電壓下仍能正常工作。并且，在-55～+125℃的溫度范圍內(nèi)，其溫度系數(shù)僅為4.2 ppm/℃。