一種三階曲率補償帶隙基準電壓源的設(shè)計

張獻中， 張 濤

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

一種三階曲率補償帶隙基準電壓源的設(shè)計

張獻中， 張 濤

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢，430081)

在傳統(tǒng)電流求和模式帶隙基準電壓源的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了一種簡單的三階曲率補償帶隙基準電壓源。該基準源由啟動電路、低壓高增益兩級運算放大器、基準核心電路和高階曲率補償電路組成。在低溫段，通過PMOS管進行二階補償；在高溫段，通過PTAT2電流進行三階補償?；贑SMC 0.35μm CMOS工藝，采用Cadence軟件對設(shè)計電路進行仿真分析。結(jié)果表明，在-40～125 ℃溫度范圍內(nèi)，5 V電源電壓下，基準源輸出電壓為1.226 V，輸出電壓變化范圍為0.51 mV，基準源的溫度系數(shù)為2.5×10-6/℃，低頻時的電源抑制比為-67 dB。

帶隙基準電壓源；高階曲率補償； PTAT2電流；溫度系數(shù)；基準電路

高精度、高電源抑制比的帶隙基準電壓源為其他電路模塊提供高精度電壓基準或由其轉(zhuǎn)化的高精度電流基準，它廣泛應(yīng)用于模擬電路、數(shù)模混合電路、DC-DC變換芯片和低壓差線性穩(wěn)壓器中[1]。基準電壓源的精度、溫度穩(wěn)定性和抗噪聲能力直接影響到整個系統(tǒng)的精度和性能。在設(shè)計傳統(tǒng)的帶隙基準時，往往忽略對其性能影響不大的高階項，而只對基極-發(fā)射極電壓VBE的一階分量進行補償，其溫度系數(shù)典型值為(2～5)×10-5/℃[2]，所得基準電壓精度有限，不能滿足高性能系統(tǒng)的需求。

想要獲得高精度的帶隙基準電壓，就必須采用高階曲率補償?shù)姆椒ň_補償其高階非線性分量。近年來，研究者提出了很多行之有效的高階曲率補償方法，如與溫度相關(guān)的電阻比例技術(shù)[3]、動態(tài)基準滲透技術(shù)[4]、分段線性補償技術(shù)[5]等。但是這些補償技術(shù)要么對設(shè)計或工藝有其他特殊要求，要么結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，對于標(biāo)準CMOS工藝來說不易實現(xiàn)。針對上述情況，本文擬設(shè)計一個簡單的三階補償帶隙基準電路，以精確補償VBE的高階非線性分量，從而顯著降低帶隙基準源的溫度系數(shù)。

1 傳統(tǒng)電流求和模式帶隙基準源

傳統(tǒng)電流求和模式帶隙基準[6-8]的電路如圖1所示，圖中M1～M3構(gòu)成電流鏡，將雙極型晶體管(BJT)支路電流鏡像到輸出支路；放大器OP以節(jié)點X、Y為輸出端，工作在深度負反饋狀態(tài)，使得X、Y點電勢相等，即VX=VY，于是有：

(1)

(2)

Fig.1 Traditional bandgap reference circuit with current summing mode

ΔVBE=VBE1-VBE2=

(3)

由以上分析可得正溫度系數(shù)電流IPTAT和負溫度系數(shù)電流ICTAT如下：

I1∝0.087mV/K

(4)

(5)

傳統(tǒng)一階電流求和模式帶隙基準電壓源的輸出表達式為：

(6)

選擇適當(dāng)?shù)腞1、R2和R4，就可得到近似零溫度系數(shù)的基準參考電壓。但是，該電流求和模式帶隙基準只對溫度進行了一階補償，基準電壓的溫度系數(shù)不能滿足高精度系統(tǒng)的需求。為提高帶隙基準輸出電壓的精度，本文在該電流求和模式帶隙基準電路的基礎(chǔ)上增加高階補償，通過簡單的三階補償獲得具有較低溫度系數(shù)的基準電壓。

2 改進型帶隙基準電壓源

2.1 改進型帶隙基準電路

本文所設(shè)計的帶隙基準電壓源的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中，M4～M6構(gòu)成啟動電路；M1～M3構(gòu)成電流鏡；OP、Q1、Q2、R1、R2和R3構(gòu)成帶隙基準的核心電路，產(chǎn)生所需的正溫度系數(shù)和負溫度

系數(shù)電流；補償電阻RP1、RP2和補償管MP對基準進行二階補償；IPTAT2是三階補償電流，該PTAT2電流源從輸出支路中獲取電流，對帶隙基準進行三階補償。

選擇合適的電阻阻值，得到一階補償帶隙基準源的溫度特性曲線為開口向上的非對稱拋物線，如圖3所示。如果把參考溫度分為兩段，即低溫段和高溫段，設(shè)法分別減小兩溫度段內(nèi)基準輸出電壓的最大值，就能有效改善帶隙基準源的溫度特性，而行之有效的方法是使溫度特性曲線的兩端分別向下彎曲，產(chǎn)生新的極點。這也是帶隙基準源二階和三階補償?shù)幕舅悸贰?/p>

Fig.3 Temperature characteristics of the first-order compensated bandgap reference

2.2 二階補償原理

在基準核心電路中添加一個PMOS管MP，調(diào)整電阻RP2上的壓降，使MP在整個溫度范圍內(nèi)工作在飽和區(qū)，并從核心電路中抽取電流，其大小等于MP的源端電流IMP。由于補償管MP的柵源電壓的負溫度系數(shù)比其閾值電壓的負溫度系數(shù)大[10]，由MOS管工作在飽和區(qū)的平方律特性可知，MP的源端電流與溫度的平方成反比，即IMP∝-T2。此時，經(jīng)過二階補償，帶隙基準的輸出電壓表達式可以改寫成：

(IPTAT+ICTAT+IMP)(R4+R5)

(7)

由以上分析可知，IMP具有負溫度系數(shù)，能夠在低溫時通過補償電阻RP2從支路中抽取負溫度系數(shù)電流，于是通過電流鏡鏡像到M3支路的電流就變成了I1+I2+IMP。選取合適的電阻阻值就能使圖3中溫度特性曲線的左半部分向下彎曲，減小了Vref在低溫時的最大值，從而降低了帶隙基準的溫度系數(shù)，這樣就實現(xiàn)了在低溫時對帶隙基準的二階補償，二階補償帶隙基準源的溫度特性如圖4所示。

2.3 三階補償原理

補償管MP的電流具有負溫度系數(shù)，在低溫段其電流值較大，而在高溫段其電流值很小，對高

Fig.4 Temperature characteristics of the second-order compensated bandgap reference

溫區(qū)域的補償有限，因此，本文又設(shè)計增加了與溫度平方成正比的電流，目的是在高溫段對帶隙基準進行有效的高階補償。

電路基于MP1～MP4組成跨導(dǎo)線性環(huán)路,由在飽和區(qū)工作狀態(tài)下MOS管的簡單平方律模型可知，結(jié)點D處的電流為：

(8)

(9)

PTAT2電流與溫度的平方成正比，選擇合適的R1和IB就能得到只在高溫區(qū)域起補償作用的PTAT2電流，通過該電流源從輸出支路上抽取與溫度平方成正比的電流，補償了帶隙基準在高溫區(qū)域的非線性分量。這時，輸出電壓溫度特性曲線的右半部分向下彎曲，即曲線產(chǎn)生新的極點，如圖6所示。

經(jīng)過三階補償，精確控制在不同溫度范圍內(nèi)抽出或注入的正、負溫度系數(shù)電流，分別減小了帶隙基準輸出電壓在低溫區(qū)域和高溫區(qū)域的最大值，將開口向上的非對稱拋物線型溫度特性曲線變成了形如“M”的曲線，即具有單一極點的溫度特性曲線變成了具有多個極點的曲線，有效降低了基準電壓源的溫度系數(shù)。此時，帶隙基準輸出電壓的表達式可以改寫為：

(10)

Fig.6 Temperature characteristics of the third-order compensated bandgap reference

2.4 啟動電路

由于簡并偏置點的存在，系統(tǒng)上電時，偏置電路和基準核心電路的電流有可能為零，電路不能正常工作，為此設(shè)計了啟動電路，通過小電流使系統(tǒng)在上電時擺脫簡并偏置點，保證電路能夠正常工作。

啟動電路如圖2左半部分所示，電路由M4、M5、M6組成，系統(tǒng)上電時，M4首先導(dǎo)通，將M5的柵極電位拉高，使M5導(dǎo)通，這樣就為基準核心電路提供了開啟電流，同時M6的柵極電壓是電阻R3兩端的電壓，電路正常工作之后，R3兩端的電壓使M6導(dǎo)通，從而拉低M5的柵壓，M5關(guān)斷，啟動電路停止工作，這樣啟動電路就不會對正常工作的基準電路造成影響。

2.5 運算放大器

本設(shè)計采用兩級運放，由于運算放大器以晶體管兩端電壓為輸入電壓，而晶體管電壓在700 mV左右，所以采用PMOS管為差分輸入管，具體電路如圖7所示。

3 仿真結(jié)果及分析

所設(shè)計的改進型帶隙基準源的主要參數(shù)為:N=24，R1=5.7 kΩ,R2=R3=46.8 kΩ,R4=41.5 kΩ，R5=10.1 kΩ，補償電阻RP1和RP2的阻值均為66.8 kΩ?；贑SMC 0.35 μm CMOS工藝，在TT工藝角下，采用Cadence軟件對設(shè)計電路進行仿真分析。在電源電壓為5 V、溫度為-40～125 ℃時，帶隙基準電壓源的溫度特性曲線如圖8所示。由圖8可知，輸出電壓的變化范圍為0.51 mV，溫度系數(shù)TC=2.5×10-6/℃。

圖9為補償管MP電流和PTAT2補償電流的溫度特性仿真結(jié)果。由圖9可見，MP的電流值在低溫段較大，起主要補償作用；PTAT2電流在高溫段起主要補償作用。圖10為帶隙基準電壓源的電源抑制比(PSRR)仿真結(jié)果。由圖10可見，在電源電壓為5 V的條件下，基準源低頻時的電源抑制比為-67 dB，頻率為10 kHz時，電源抑制比還有-50 dB，表明其具有較好的穩(wěn)定性。圖11為放大器的交流測試仿真結(jié)果。由圖11可見，放大器的低頻增益為65.77 dB，通過密勒補償，其相位裕度為69.8°，既能滿足設(shè)計要求，又能使系統(tǒng)快速反應(yīng)。

Fig.8 Simulated temperature characteristics of the improved bandgap voltage reference

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)電流求和模式帶隙基準電壓源的基礎(chǔ)上進行改進，設(shè)計了一種簡單的三階曲率補償帶隙基準電壓源，將原來具有單一極點的溫度特性曲線變成了具有多個極點的曲線，顯著降低了基準電壓的溫度系數(shù)。在電源電壓為5 V、溫度為-40～125℃時，帶隙基準可輸出穩(wěn)定在1.226 V左右的參考電壓，電壓變化范圍為0.51 mV，溫度系數(shù)為2.5×10-6/℃，低頻時電源抑制比為-67 dB。所設(shè)計的基準電路精度較高，性能穩(wěn)定，能滿足高精度電源管理芯片的使用要求。

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[責(zé)任編輯 尚 晶]

A bandgap voltage reference with third-order curvature compensation

ZhangXianzhong,ZhangTao

(College of Information Science and Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081，China)

A simple third-order curvature compensated bandgap voltage reference is designed through improving the traditional bandgap reference with current summing mode. It consists of starting circuit, two-stage operational amplifier with low voltage and high gain, core circuit and high-order curvature compensation circuit. The second-order curvature compensation in low temperature section and the third-order curvature compensation in high temperature section are provided by a PMOS transistor and a PTAT2current, respectively. The reference circuit is simulated based on CSMC 0.35 μm CMOS process by using Cadence software. Results show that, at 5 V supply voltage, the bandgap reference has an output voltage of 1.226 V, which only changes 0.51 mV over a temperature range from -40 ℃ to 125 ℃, a temperature coefficient of 2.5×10-6/℃, and a power supply rejection ratio of -67 dB at low frequency.

bandgap voltage reference; high-order curvature compensation; PTAT2current；temperature coefficient；reference circuit

2014-09-11

湖北省自然科學(xué)基金資助項目(2011CDB234);湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃重點項目(D20101104).

張獻中(1987-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：zhangxianzhong1515@163.com

張 濤(1967-)，男，武漢科技大學(xué)教授.E-mail：taomzhang@126.com

TN43

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1674-3644(2015)01-0067-05