廖 敏 周 瑋

摘 要:設(shè)計(jì)一種二階曲率補(bǔ)償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)?；谝浑A曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電路,利用二極管正向?qū)ǜ浇娏鳙I(xiàn)與電壓玍的非線性關(guān)系,將補(bǔ)償電流注入PTAT電流來(lái)補(bǔ)償玍゜e的二階項(xiàng)。運(yùn)用0.35 μm工藝的器件模型Cadence工具下進(jìn)行了仿真,在-50～+120 ℃溫度范圍內(nèi),一階曲率補(bǔ)償帶隙電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)為16.6 ppm/℃,經(jīng)過(guò)二階曲率補(bǔ)償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)的溫度系數(shù)減小到約為3.07 ppm/℃,帶隙電壓基準(zhǔn)的溫度特性得到了很大改善。整個(gè)補(bǔ)償電路使用器件少、占用面積小、實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞:帶隙電壓基準(zhǔn);二階曲率補(bǔ)償;溫度系數(shù);溫度特性

中圖分類(lèi)號(hào):TN43

0 引 言

隨著便攜式電子產(chǎn)品的高速發(fā)展,使得對(duì)低壓低功耗的帶隙基準(zhǔn)源的需求大大增加。為了縮小電池尺寸和延長(zhǎng)電池壽命,需要基準(zhǔn)電壓源電路工作在2 V以下的電壓和μA量級(jí)的靜態(tài)電流下,同時(shí)還要保證較高的電路性能,如低溫漂、高電源抑制比等。

一般設(shè)計(jì)的一階帶隙基準(zhǔn)源完全滿(mǎn)足不了對(duì)高精度基準(zhǔn)源的要求。要提高帶隙基準(zhǔn)電壓源的精度,就必須對(duì)基準(zhǔn)進(jìn)行高階補(bǔ)償,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)帶隙基準(zhǔn)的高階補(bǔ)償進(jìn)行了研究[5[CD*2]7]?；谝浑A補(bǔ)償帶隙電壓基準(zhǔn),針對(duì)溫度系數(shù)性能進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的二階帶隙電壓基準(zhǔn),使其溫度系數(shù)得到了很大的提高。

1 傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)

1.1 玍゜e的溫度特性

雙極性晶體管的玍゜e隨溫度的變化而變化,它的溫度特性可表示為:

式中:K1表示溫度為0 獽時(shí)玃N結(jié)二極管電壓;V┆玝e(T0)是溫度為T(mén)0時(shí)的發(fā)射結(jié)電壓;T是絕對(duì)溫度;k為波爾茲曼常數(shù);T0是參考溫度;η是與工藝有關(guān)與溫度無(wú)關(guān)的系數(shù);α的值與集電極電流的溫度特性有關(guān),當(dāng)集電極電流與溫度成正比(PTAT)時(shí),α=1;當(dāng)集電極電流與溫度無(wú)關(guān)的時(shí)候,│=0。

由式(1)可知,V┆玝e中與溫度相關(guān)的非線性項(xiàng)為㏕玪n T,Ы式(1)展開(kāi)為泰勒級(jí)數(shù)可表示為:

由此可見(jiàn),玍゜e中的非線性項(xiàng)玊玪n 玊在很大程度上影響了基準(zhǔn)的精度,帶隙電壓基準(zhǔn)補(bǔ)償進(jìn)行高階補(bǔ)償,就能提高帶隙基準(zhǔn)的精度。

1.2 傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)原理的分析

圖1所示為一種典型的傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)的發(fā)射極面積之比為1∶8,放大器的存在使得A,B兩點(diǎn)電壓近似相等,那么流過(guò)玆1的電流即PTAT(Proportional to Absolute Temperature)電流為:

由PMOS管組成的電流鏡結(jié)構(gòu)使得各支路電流近似相等,輸出的基準(zhǔn)電壓就為:

由于V┆玝e3具有負(fù)溫度特性,V璗具有正的溫度特性,因此,只要選擇合適的R1,R2就能得到近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn),通過(guò)計(jì)算可以得出R2/R1約為8.27。

2 帶隙電壓基準(zhǔn)的二階曲率補(bǔ)償

[BT3]2.1 晶體二極管的伏安特性

由文獻(xiàn)[9]可知,晶體二極管的伏安特性可表示為:

式中:獻(xiàn)璖為反向飽和電流,其值與PN結(jié)兩邊的參雜濃度有關(guān)。玍璗稱(chēng)為熱電壓(Thermal Voltage),與溫度玊有關(guān)。室溫即玊=300 K時(shí)玍璗26 mV。圖2所示為晶體二極管的伏安特性,由圖所示,在導(dǎo)通電壓0.7 V附近,電流和電壓可近似看成一種二階指數(shù)關(guān)系。

[BT3]2.2 二階曲率補(bǔ)償原理

傳統(tǒng)的帶隙電壓基準(zhǔn)只是對(duì)玍゜e的一階項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此這種補(bǔ)償?shù)木容^低,一般的傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)為20～30 ppm/℃,要使帶隙電壓基準(zhǔn)的精度提高就得對(duì)玍゜e的高階項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。如圖3所示為一種簡(jiǎn)單的二階曲率補(bǔ)償?shù)暮诵碾娐?。該電路的特點(diǎn)是器件少,占用面積小,在傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,只添加了一個(gè)電阻玆3和一個(gè)二極管D。在補(bǔ)償電路中,晶體二極管D兩端電壓被偏置在導(dǎo)通電壓0.7 V左右。

由晶體二極管的溫度特性可知,二極管兩端電流隨著溫度的升高而略有增加,電阻玆3兩端電壓略有上升,那么二極管兩端電壓玍璂相應(yīng)降低。

由圖2可知,在導(dǎo)通電壓附近,電壓細(xì)小變化將導(dǎo)致電流迅速降低,電流電壓成近似二階指數(shù)關(guān)系。

正是利用二極管的這種特性,當(dāng)補(bǔ)償電流注入PTAT電流后,抵消了電流中所含的二階非線性項(xiàng),實(shí)現(xiàn)了二階曲率補(bǔ)償。

圖4給出了該電壓基準(zhǔn)的其他電路,主要組成部分有:啟動(dòng)電路、偏置電路、放大器電路[10,11]。通過(guò)分析可知,該偏置電路中有兩個(gè)穩(wěn)定的工作點(diǎn),因此,該偏置電路是必須的,否則可能導(dǎo)致整個(gè)電路無(wú)法工作。

3 仿真結(jié)果分析

該電路基于0.35 μm工藝,利用Cadence工具對(duì)電路進(jìn)行了仿真,補(bǔ)償前后的溫度特性曲線如圖5所示,通過(guò)計(jì)算得到補(bǔ)償后的溫度系數(shù)約為3.07 ppm/℃,對(duì)比傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)約16.6 ppm/℃的溫度系數(shù),經(jīng)過(guò)二階曲率補(bǔ)償后的基準(zhǔn)源的溫度特性得到了很大的改善。[JP]

4 結(jié) 語(yǔ)

[JP2]這里給出了一種二階曲率補(bǔ)償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)電路。該電路利用晶體二極管在導(dǎo)通電壓附近電流與電壓的近似二階指數(shù)關(guān)系,完成了對(duì)玍゜e中的非線性項(xiàng)的二階補(bǔ)償,使得溫度特性有了很大的改善,而補(bǔ)償電路就使用了一個(gè)電阻和一個(gè)晶體二極管,非常簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。[JP]オ[KH-1]

參 考 文 獻(xiàn)

[1]幸新鵬,李冬梅,王志華.一個(gè)電壓接近1 V/ppm/℃帶曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)源[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2008,29(1):24[CD*2]28.

[2]周瑋,吳貴能,李儒章.一種二階補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2009,21(1):78[CD*2]82.

[3]Paul R,Patra A.A Temperature[CD*2]compensated Bandgap[LL]Voltage Reference Circuit for High Precision Applications[A].Proceedings of the IEEE India Annual Conference[C].2004:553[CD*2]556.

[4]Chen Jianghua,Ni Xuewen,Mo Bangxian.A Curvature Compensated CMOS Bandgap Voltage Reference for High Precision Applications[A].Proceedings of the IEEE ICASIC[C].2007:510[CD*2]513.

[5]Song Ying,Lu Wengao.A Precise Compensated Bandgap Reference without Resistors[J].IEEE.Journal of Solid[CD*2]State Circuits,2002,37(7):169[CD*2]172.

[6]Wu Guoping,Huang Nianya,Liu Guizhi.A Second[CD*2]order Curvature Compensation Bandgap Reference[J].IEEE Journal of Solid[CD*2]State Circuits,2000,17:59[CD*2]63.

[7]姜韜,楊華中.多點(diǎn)曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)方法[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2007,28(4):490[CD*2]495.

[8]Razavi B.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦,譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,2003.

[9]謝嘉奎,宣月清,馮軍.電子線路[CD2]線性部分[M].4版.北京:高等教育出版社,2005.

[10]Allen P E.CMOS模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].2版.馮軍,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[11]Gray Paul R.模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)[M].4版.張曉林,譯.北京:高等教育出版社,2003.

[12]尹健,李海松.一種采用二次曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,31(10):84[CD*2]86.