一種具有高階溫度曲率補償?shù)腃MOS電壓基準源

侯俊芳 （天津輕工職業(yè)技術學院 天津 300350）

0 引言

電壓基準源是高精度數(shù)據(jù)轉換器、數(shù)據(jù)采集器以及智能傳感器芯片中的重要模塊電路；它的溫度特性是衡量電壓基準電路的重要指標。近年來許多研究者對電壓基準源的溫度特性進行了深入研究。[1-4]雙極型晶體管BE結的負溫度特性是實現(xiàn)溫度補償?shù)闹饕蛩?。一階溫度補償中通常近似BE結的溫度特性為線性函數(shù)，其溫度系數(shù)大約為1.5mV/℃。但是其溫度特性的非線性引起一階溫度補償?shù)恼`差，如公式（1）所示：

BE結電壓的實際溫度特性曲線與一階近似的差異如圖1所示。其中VG是硅材料的能隙電壓。

針對一階溫度補償?shù)臏囟确蔷€性因素，本文給出一種高階的溫度補償方法，在更寬泛的溫度范圍內(nèi)得到具有良好溫度穩(wěn)定性的電壓基準源。文章給出溫度曲率補償?shù)姆椒半娐返膶崿F(xiàn)和仿真驗證的結果；最后針對電壓基準源的實現(xiàn)進行討論。

1 高階溫度曲率補償

通常情況一階溫度補償電壓基準源由負溫度特性的BE結電壓和一個正溫度特性（PTAT）的電壓構成。正溫度特性電壓通過兩個晶體管的BE結電壓差值產(chǎn)生，如公式（2）：

不同比例系數(shù)K可以調(diào)整電壓基準源的拐點溫度，即零溫度系數(shù)時刻對應的溫度值。

高階溫度曲率補償通過疊加兩個不同溫度拐點的一階溫度補償電壓實現(xiàn)。如圖2所示，電壓V1的拐點在低溫，電壓V2的拐點在高溫。電壓VA是電壓V1和V2的疊加，因此電壓VA應當結合它們的溫度特性，具有高階溫度補償?shù)男Ч?/p>

圖3給出一種高階溫度補償電路的示意圖。因為圖中示意的基準輸出采用電流-電壓轉換方式實現(xiàn)，所以假設電阻的溫度系數(shù)為零。電流IPTAT由PTAT電壓產(chǎn)生，電流ICONST由一階溫度補償?shù)碾妷寒a(chǎn)生。輸出基準電壓VA的表達式為：

設置一階溫度補償電壓V1和V2具有不同的拐點溫度：V1的拐點溫度為10℃，V2的拐點溫度為100℃。輸出電壓VA將是具有高階溫度補償?shù)幕鶞孰妷骸?/p>

2 電路實現(xiàn)與仿真驗證

采用TSMC-0.5 BCD工藝實現(xiàn)高階溫度補償電路，如圖4所示。電路分為5個模塊：啟動電路start-up，偏置電路bias_gen，PTAT電流產(chǎn)生電路PTAT_gen，負溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路Ibe_gen和電壓基準源輸出電路reference core。對比圖3電流ICONST由PTAT電流和Ibe電流按照一定比例構成。輸出電壓可以通過輸出電阻分壓調(diào)整到需要的電壓值。

基于Cadence仿真器，對高階溫度補償電路的特性進行驗證。在5 V電壓源的條件下，設計輸出電壓VA為2.4 V，輸出阻抗最小3.5 KΩ，輸出電流能力10μA。其溫度特性仿真結果如圖5所示，兩個拐點溫度的出現(xiàn)符合設計的初衷。在-40～150℃范圍內(nèi)，有效溫度系數(shù)每攝氏度為13mg/m L。

電路的線性電源調(diào)整能力和電源抑制能力分別如圖6和圖7所示。電路需要的最低工作電源為3 V，線性調(diào)整特性小于1%；直流電源抑制比54 dB，100 kHz頻率下電源抑制比30 dB。圖8給出此電路的瞬態(tài)啟動特性；啟動時間5μs的電源下，高階溫度補償電壓基準源大約需要60μs的啟動響應，并且沒有過沖電壓出現(xiàn)。綜合以上，高階溫度補償電壓基準源表現(xiàn)出良好的電路特性。

3 結論

文章給出一種高階溫度補償電壓基準源的實現(xiàn)方法，基于TSMC-0.5μm BCD工藝，實現(xiàn)在-40～150℃范圍內(nèi)，有效溫度系數(shù)每攝氏度為13mg/m L。這種方法不需要修正電路，易于實現(xiàn)，并且可以根據(jù)需求輸出不同的電壓值。實際設計生產(chǎn)中應當考慮PTAT電流和Ibe電流產(chǎn)生模塊中的電流鏡失配和電阻的溫度特性對電路特性的影響。

[1]CHENG,M.-H,and WU.Low-Power Low-Voltage Reference Using Peaking Current Mirror Circuit[J].Electronics Letters,2005（41）：572-573.

[2]PAUL R，PATRA A.，BARANWAL S，etal.Design of Second-Order Sub-Bandgap Mixed-Mode Voltage Reference Circuit for Low Voltage Applications[J].VLSI Design,2005（18）：307-312.

[3]ZHANG，Q.X，SIEK L.A New 4.3 ppm/C Voltage Reference Using Standard CMOS Process with 1V Supply Voltage[J].Circuits and Systems，2005（5）：4249－4252.

[4]SPADY D，IVANOV V.A CMOS Bandgap Voltage Reference with Absolute Value and Temperature Drift Trims[J].Circuits and Systems，2005（4）：3853-3856.