一种高精度基准源电路

Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　一种高精度基准源电路　董大伟　（中国电子信息产业集团有限公司，北京１０００８６）　摘要：基于９０　ｎｍ　ＣＭＯＳ标准工艺，设计了一种低温漂的带隙基准源电路。一种结构新颖的温度　曲率校正电路被采用，作为一级温度补偿电路的曲率校正电路。Ｈｓｐｉｃｅ仿真结果表明：所设计电压源　在温度一２０℃～＋１２０℃范围内，平均温度系数约为２．２　ｐｐｍ／￣Ｃ，获得了一个低压高精度的带隙基准电　压源。　关键词：带隙基准源；温度系数；曲率校正　中图分类号：ＴＮ４３３　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５８－７９９８（２０１５）０６—００４５—０２　ＤＯＩ：１Ｏ．１６１５７／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５８—７９９８．２０１５．０６．０１２　Ａ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｂａｎｄｇａｐ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄｏｎｇ　Ｄａｗｅｉ　（Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｖｅｌ　ｃｕｒｒａｔｕｒｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｂａｎｄｇａｐ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒａｔｕｒｃ　ｃｏｒ－　ｒｅｃｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｏｒｄｅｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｂａｎｄｇａｐ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄ　ｇｅｔ　ａ　ｂｅｔｔｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ａｖｅｒａｇｅ　ｔｅｒｎ—　ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　９０　ｎｍ　ＣＭＯＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｒｅｓｕｌｔ　ｆｒｏｍ　ＨＳＰＩＣＥ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｓ　ａｎ　ａｖｅｒａｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ａｂｏｕｔ　２．２　ｐｐｍ／％ｂｅｔｗｅｅｎ一２０℃ｔｏ　１２０℃。　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂａｎｄｇａｐ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ；ｃｕｒｖａｔｕｒｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　０引言　在高精度集成电路系统中，低温度系数、低工作电　压基准源的设计十分重要，基准电压的温度特性直接影　响电路精度和性能。本文根据低温度系数、低工作电压　的要求，基于标准ＣＭＯＳ工艺设计，采用低压运算放大　器，提出了温度曲率校正的方法，最终实现了低温度系　数、低工作电压的ＣＭＯＳ带隙基准源设计。经过仿真验　证，电源电压在１．３　Ｖ时电路可以正常工作，输出电压　的平均温度系数约为２．２　ｐｐｍ／％。　１一阶温度补偿电路　如图１所示，电路中采用了一种低电压运算放大器　进行钳位，保证Ｍ、Ⅳ电压近似相等。电路设计器件Ｍ。、　图１一级温度补偿电路　Ｍ：、Ｍ，的尺寸相同，Ｑ　和Ｑ：的发射极面积为Ｍ：１，电阻　Ｒ１＝　２。　Ｖｏｔｒｒ＝Ｒ４。，３＝　（　髓１＋Ｒ１Ｖｒ１ｎＭ／Ｒ３）　（１）　由于：ＶＭ：ＶⅣ、Ｒｌ＝Ｒ２、Ｉｉ＝／２＝／３，所以：／ｌａ＝　、Ｉｌ　从式（１）可知，Ｖｓｓ１为负温度系数电压，　ｌｎ　为正　１１　：ＶＢｚｌ／Ｒ】、，１６＝　＝（　心一　Ｂ　）／Ｒ３＝Ｖ　ＩｎＭ／Ｒ３　温度系数电压，所以输出电压　哪为一个经过一阶温度　３１＝Ｉ１＝］２＝Ｉｌ　＋，ｌ６＝ＶＢＥ１／Ｒｌ＋　ｒ　ｌｎ　／　３　补偿的电压，可以通过调整电阻比值和系数　调整输　输出电压：　出电压　邮的大小和精度。　《电子技术应用》２０１５年第４１卷第６期　４５　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　２曲率补偿　图１所示的电路并不能满足对高精度基准源输出　的要求，原因是双极晶体管的基极一发射极电压　观，即　ＰＮ结二极管的正向电压是负的高阶温度系数，一阶温　度补偿电路不能消除高阶温度系数影响，要减少带隙基　准源的温度系数，必须消除高阶温度系数的影响。曲率　校正电路如图２所示。　Ｖｒｒ　：＝ｊＭ９　１　图２曲率校正电路　图２中Ｍ４、Ｍ５、Ｍ１０、Ｍ１１、Ｒ５构成偏置电路，ＭＩＯ、　Ｍ１１工作在亚阈值工作区，利用ＭＯＳ器件的亚阈值特　性为Ｃ点提供正温度系数的偏置电压，Ｃ点提供正温度　系数的偏置电压，器件Ｍ６、Ｍ７、Ｍ８、Ｍ９的电流是温度的　高阶函数。设计Ｍ７和Ｍ９尺寸相同，进而电流／７＝／．。　Ｖｏ＝Ｖｒ　ｌｎ（Ｌ／　），　＝ＶＴ　ｌｎ［（Ｉａ＋Ｉ．）／，ｓｓ１　在Ｄ、Ｅ两点产生电压差，厶×尺４＝（ＶＤ—ＶＥ）＝Ｖｒ　ｌｎ［（１ｄ＋　Ｌ）／／￣】。　厶对温度求偏导得：　＝盖　奇　＋啬　ｃ｝　Ｈ　ｃ等＋等川　由于　＝　，整理上式得：　＝【　ｎ（　）　＋（　一　）等】／【ｌ＋　）】　（２）　由式（２）可知，将高阶温度补偿电流厶引入到一级温　度补偿电路作为补偿电流，输出电压式（１）调整为：　Ｖ￣ｚｒ＝（Ｖ．Ｅｌ，ＲＩ＋　ｒ　ｌｎ　，Ｒ３＋ｌｏ）ｘＲ４　（３）　式（３）中，，ｎ是温度的高阶函数电流，通过调节补偿电　流的大小可以调节　唧的高阶温度系数。　３电路仿真　如图３所示，电源电压ＶＣＣ为１．８　Ｖ，温度扫描范围　为一２０　ｏＣ～１２０　ｏＣ，一阶温度补偿电路输出电压平均温度　／℃　图３一阶温度补偿输出电压温度特性仿真　４６　欢迎网上投稿ｗｗｗ．ＣｈｉｎａＡＥＴ．ｃｏｍ　系数为１１　ｐｐｍ／￣Ｃ。　如图４所示，电源电压ＶＣＣ为１．８　Ｖ，温度扫描范围　为一２０　ｃＩ＝～１２０　ｏＣ。从图中可以看到补偿电流是温度的高　阶函数。　／℃　图４高阶温度补偿电流厶温度特性仿真　如图５所示，经过曲率校正电路校正，电源电压　ＶＣＣ为１．８　Ｖ，温度扫描范围为一２Ｏ℃～１２０℃，输出电压　平均温度系数为２．２　ｐｐｍ／￣Ｃ。　丰　丰　一：　糖　｝｝｝¨　：撼：ｌ　　／…Ｈ　　　…一　一Ｈ　：　　，　丰　…，　、一Ｈ一　ｉｌｒ…ｌ｜　’｝¨　ｌ｜　ｒ　＿＝　矗‘：　／ｌ一＇　　＿…　丰　丰　＃　李转　℃　图５曲率校正后输出电压温度特性仿真　如图６所示，在２７　ｃＩ＝环境下，对电源电压进行ＤＣ　扫描，电源电压大于１．３　Ｖ电路就可正常工作。　｛ｌ　｝　｝ｌ　Ｉ　ｊ　ｉ　ｉ　ｉ｛｝　｝　｝ｉ　｛ｉ　ｉ｛　～～卜｝音～卜抖十～　ｌ｝｝一　　＋件｛Ｈ一　…　｝一＾～｛　ｌ—ｋ　＿土　毒～　｛ｌ　ｌ｛　｛　ｌ，　—　一｛—Ｉ；ｊ　４一ｉ—Ｉ｛｛…ｋ　　＋｛一Ｉ　４　上ＬＬ　专ｌ０　　ｌ—０　４｛｝ｌ　一　士　群　１～ｒｒ　一＿—一÷１０一寸了　…　ｒｒ　舢　０Ｈ¨喜；…　十；０一…　一　ｒｉｒ｛｝一寸｛…１ｌ｛　一　…—　中　…卜～　ｑ…卜Ｐ一＊　～　｛；｛ｌ　｛ｌ－　　２’，【℃　图６工作电压仿真　比较图３和图５所示的Ｈｓｐｉｃｅ仿真结果，可以发　现经过曲率校正电路对输出电压进行高阶温度补偿，　使得输出电压平均温度系数从原来的１１　ｐｐｍ／￣Ｃ减小到　２．２　ｐｐｍ／％，输出电压具有更高的输出精度。图６所示，　在２７℃环境下，电源电压在１．３　Ｖ时电路就可以正常工　作了。　参考文献　［１】ＲＩＮＣＯＮ－ＭＯＲＡ　Ｇ　Ａ，Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ：ｆｒｏｍ　ｄｉｏｄｅｓ　ｔｏ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｈｉｇｈ—ｏｒｄｅｒ　ｂａｎｄｇａｐ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｍ］．Ｗｉｌｅｙ—Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｅｅ，　２０ｏ２．　【２】Ｐｌｅｔｅｒｓｅｋ　Ａ．Ａ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｂａｎｄｇａｐ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｓｕｂ－１－Ｖ　ｓｕｐｐｌｙ　ｖｏｌｔａｇｅ［Ｊ］．Ａｎａｌｏｇ　Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００５：４４（７）：５—１５．　［３】吴金，刘桂芝，张麟．ＣＭＯＳ亚阈型带隙电压基准的分析与　ｆ下转第５０页）　《电子技术应用》２０１５年第４１卷第６期