1、南 开 大 学 学 报（自然科学版）Acta Scientiarum Naturalium Universitatis NankaiensisVol.561Feb.2023第56卷第1期2023年2月收稿日期：2022-06-24基金项目：湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201907);国家电网有限公司总部科技项目(5700-202155257A-0-0-00)作者简介：张 冶(1996-),男,湖北荆州人,硕士研究生.通讯作者：吕 辉(1976-),男,湖北武汉人,教授,研究方向:半导体器件与系统.E-mail:张 冶等:一种低温度系数带隙基准电压源的设计文章编号：0465-
2、7942(2023)01-0013-06一种低温度系数带隙基准电压源的设计张冶1,吕辉1,任佳锐2,郑浩3(1.湖北工业大学 理学院,湖北 武汉 430068;2.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津 300350;3.上海格巍半导体有限公司,上海 201203)摘要：设计采用双极性结型晶体管产生一个二阶温度补偿电压,并将其与一阶温度补偿电压加权叠加得到一个低温度系数的带隙电压.通过采用增大运放增益和负反馈回路提高电源抑制比.电路基于0.13 m BCD工艺实现,使用Cadence中Spectre环境进行仿真.在工作电源电压为5 V的情况下,温度等于27 时输出电压为1.209 V,电源电压
3、抑制比为-58 dB100 Hz,在-40-130 温度范围内,输出电压变化范围为0.93 mV,平均温度系数为4.51 ppm/.关键词：带隙基准电压源;二阶补偿;高电源抑制比;低温度系数;中图分类号:TN402文献标识码:A0引言基准电压源在模拟电路或者数模混合电路中起着重要的作用,基准的要求是建立一个与电源、工艺和温度无关的电压或者电流,基准的特性直接影响着整个系统的性能1-2.例如在A/D转换器将模拟信号转换为数字信号的过程中需要基准电压比对来处理输入信号,当基准电压产生误差时,输出结果必然也会产生误差.因此为了使基准电压在不同温度下保持恒定,基准电压的温度系数应越小越好,同时为了保证
4、基准电压在输入电源电压波动时保持不变,电路应具有较大的电源抑制比.传统的带隙基准电压源是对三级管基极-发射极电压VBE进行一阶温度补偿,在实际应用中,由于VBE含有高阶温度系数,在温度变化的情况下,输出电压随温度变化的曲线呈现一定的曲率,目前一阶温度补偿的最低温度系数约为13 ppm/3,为了得到更低的温度系数,很多文献介绍了一些温度补偿技术来补偿曲率.全MOS管结构运用工作在亚阈值区MOS管漏电流与栅极电压和漏极电压呈指数函数关系来产生基准电压,但是这种结构温度系数较差4-5.两个基准源模块产生曲率相反的基准再叠加的方法通常使电路复杂,功耗较大6-9.设置温度值产生非线性电流,采用加法、减法
5、电路,分段补偿不同温度范围内的曲率这种做法温度系数良好,但是受电源电压和工艺角的影响大10-13.文献14设计出一种低温漂、高电源电压抑制比的电路,但原本的电流叠加产生高阶温度项需用到大量的三极管,十分繁琐.在该文献的基础上将一阶线性电流直接引入三极管的集电极,利用三级管基极-发射极电压的叠加得到产生一个具有高阶温度系数补偿电流,结构较为简单.最后将高阶温度系数补偿电流产生的电压与一阶温度补偿电流产生的电压叠加实现二阶温度补偿,还可以通过调整电阻阻值控制两者的电压比例权重来校正带隙电压对温度的特性,同时电路中还具有负反馈和高增益运放以此提高整体电路的电源电压抑制比.1整体带隙基准电路设计在半导
6、体工艺的各种器件中,三级管具有稳定的温度特性参数,因此大多数带隙基准源这类电路的核 14 南 开 大 学 学 报（自然科学版）第56卷心都是由三级管构成.如图1所示,具有一定的负温度系数三级管基极-发射极电压和具有正温度系数的两个三级管基极-发射极电压的差值VBE以适当的比例相加就能到达一个一阶温度补偿电压15:VREF1=VBE+kVBE(1)其中,k为温度补偿系数,VBE是呈一阶温度系数的热电压,其温度系数不随温度变化.由于VBE含有高阶温度系项,其温度系数会随温度发生变化,单纯只靠调整热电压的比例无法完全补偿.产生正温度系数的热电压和产生负温度系数的VBE相加后的曲线如图1所示,VREF
7、1的曲率在某一温度下为零,大多数情况下曲线呈一定的曲率,温度系数较大,无法在不同温度下保持恒定,满足不了工艺的要求.因此绝大多数应用在一阶温度补偿的基础上,还需要进行二阶补偿.如图2所示,二阶补偿的原理在于产生一个二阶温度项VREF2,通过调整比例与对一阶温度补偿电压进行叠加,最后得到具有更低的温度系数的电压VREF=VREF1+VREF2(2)提出的带隙基准电压源电路如图3所示,主要由启动电路、五管运算跨导放大器组成的运放、一阶温度系数补偿电路和二阶温度系数补偿电路组成.1.1 启动电路如图3所示,开启电路由MOS管M1-M5和三极管Q1组成,M1未导通时,流过M13和M14的电流为零,当S
8、D信号为低时M1开始导通,该支路产生电流.由于M5和M4栅极电压相等,M2支路导通,随后M9的栅极电压逐渐升高.M9的栅极为运放的反向输入端口,因而输出端电压下降,MOS管M12-M16栅极电压下降,电流镜开始导通,根据宽长之比产生成比例的电流.导通的电流镜使整个负反馈网络启动,电路各点电压可以逐渐接近工作态电压.随着三级管Q3的发射极电压逐渐升高,M4的源端电压开始升高,由于M4的栅极电压不变,合理设置R1的阻值使电路正常工作时M4的栅源电压小于阈值电压,M4关闭,该支路没有电流.采用Q1来偏置的目的是为了匹配Q2和Q3的基极发射极电压,使得Q1抬高的电压接近Q2和Q3的工作电压.电路正确工
9、作时由M6-M10构成的运放钳制住M13和M14漏端电压使得两个管子的漏端电压相等.1.2 温度补偿电路温度补偿电路由MOS管M6-M18、三极管Q2-Q7、电阻R2-R5,Ra和Rb组成,M12-M18为电流镜,通过调VREF2M1M16R2M2R3M3M15RaM6Q4RbM4IPTAT1M5R5M7+M8M12Q1-M13Q6R1M14M17Q3M18Q8R4M9Q5M10M11Q2SDVREF1VREFIPTAT2图3 整体带隙基准电压源电路Fig.3 Schematic of bandgap voltage referencekVBEVREF1VBET/V/VOOT/V/V图1 一阶
10、温度补偿电压曲线Fig.1 Curve of first order temperature compensation图2 二阶温度补偿电压曲线Fig.2 Curve of second-order temperature compensationVREF1T/V/VOOT/V/VVREF2VREF第1期张 冶等:一种低温度系数带隙基准电压源的设计 15 整其MOS管宽和长的比例来按需复制电流,所有的MOS管均工作在饱和区.其中M6-M15、电阻R2-R3、运放和三极管Q2-Q4组成一阶温度补偿电路,形成一阶温度补偿电压VREF1.M13和M14为电流镜,为两条支路稳定提供比例为1:1的电流.
11、由于M13和M14漏端电压相等,三级管Q2和Q3基极-发射极电压的差值可产生一个正温度系数项:VBE=VTlnn(3)其中,n为两个BJT的发射极面积之比,VT为热电压,其值为kT/q,与温度呈一阶线性关系.负温度系数项由三极管Q2基极-发射极产生,其VBE的温度系数可表示成11:VBET=VBE-(4+m)VT-Eg/qT(4)其中,m为迁移率的温度指数,Eg/q为硅的带隙电压.从式(4)中可以看出VBE包含高阶温度项,其温度系数与VBE本身的大小有关.当VBE750 mV,T=300 K时,VBE的温度系数约为-1.5 mV/K.将流过M13和M14电流IPTAT1复制到M15,其电流为:
12、IPTAT1=VTlnnR2(5)因此,一阶温度补偿电路产生的的带隙基准电压VREF1可以表示为:VREF1=VBE4+R3R2VTlnn=VBE4+IPTAT1 R3(6)二阶补偿电路由MOS管M16-M18、三极管Q5-Q8和电阻R5构成.已知三极管的集电极电流:IC=Is exp(VBE/VT)(7)可得三极管Q7集电极电流为IC7=IS exp(VB7-VB8VT)=ISexp(VB7VT)exp(VB8VT)(8)由于Q7的基极电压等于VBE5与VBE6的和,IPTAT1为M16流过的电流,因为流过M16电流等于流过M15电流,式(8)可得:IC7=ISexp(VBE5VT)IS e
13、xp(VBE6VT)IS exp(VBE8VT)=IPTAT12IC8(9)将三极管Q8集电极电流IC8当作二阶温度补偿输出电流IPTAT2,三级管Q7集电极电流等于VBE8/R5,则IPTAT2可表示为:IPTAT2=IPTAT12VBE8R5(10)补偿电流IPTAT2与温度呈高阶关系.设置Ra和Rb的阻值很大,从电阻上流过的电流约等于为零,此时经由电流镜M17和M18复制的电流几乎全部从电阻R4流过,由此可以得到二阶温度补偿电路产生的带隙基准电压VREF2.1.3 输出电路输出电路如图3所示,输出电压VREF处于电阻Ra和Rb之间,Ra和Rb另一端分别连接一阶温度补偿电压和二阶温度补偿电
14、压,通过VREF2的高阶温度系数来补偿VREF1的温度系数,使得总输出电压VREF温度系数趋近于零.理想情况下由于电阻阻值很大,Ra与Rb之间没有电流流过,实际上VREF1和VREF2之间存在电压差值,极小的电流流经Ra和Rb.此时输出电压VREF为:VREF=VREF1 Rb+VREF2 RaRa+Rb(11)设置Ra与Rb的和为定值,式(11)可表示为:16 南 开 大 学 学 报（自然科学版）第56卷VREF=VREF1+(1-)VREF2(12)根据公式(5-6,10),令VT=kT/q.可得输出电压与温度的相关表达式:VREF=(VBE4+R3 kTlnnq)+(1-)R4 R5 k
15、2T2(lnn)2R2 q2 VBE8(13)其中,=Rb/(Ra+Rb),该公式表明在Ra与Rb阻值的和不变的情况下,调整各自所占的比例就能改变输出电压VREF的值.在复杂的工艺环境下,有时候需要根据不同的情况来调整输出,本次设计可通过直接调整电阻阻值来满足所需.3电路仿真结果与分析设计采用0.13 m BCD工艺在电源电压为5 V的情况下仿真.如图4所示,在tt工艺角下VREF1电压的温度特性曲线,温度范围为-40-130.VREF1的电压为负温度系数且呈现一定的曲率;VREF1的温度在-40-130范围内,电压从1.207 4 V变化到1.201 4 V,根据式(14)可以得到其温度系数
16、TC约为29.27 ppm/.TC=VMAX-VMINVREF(TMAX-TMIN)106(14)其中,VMAX与VMIN分别为输出电压的最大、最小值;VREF为温度等于27 时的输出电压值;TMAX与TMIN用来表示温度范围.VREF2随温度变化的曲线如图5所示,可以看出VREF2的曲线斜率随温度发生变化,同时为负温度系数.VREF1和VREF2按照比例叠加后,通过调节Ra与Rb的阻值在总和中的权重,来进行二阶补偿.二阶补偿后的电压VREF的温度特性曲线如图6所示,图6(a,b,c,d,e)分别表示在不同权重的Ra和Rb情况下所对应的特性曲线.其中温度系数最优的阻值对应曲线 c,当 T=130 时,VREF在最大值为1.209 42 V,T=59.7 时,VREF处于最小值1.208 49 V,变化量为0.000 93 V,T=27 时,VREF为1.208 58 V.根据式(13)可得 VREF的温度系数约为 4.51 ppm/.对比 VREF1和VREF的温度系数可以看出,在引入二阶温度补偿电压VREF2之后,输出电压随温度的变化影响大幅减小,电路的温度特性得到有效改善.bT/V