一種高精度低溫漂帶隙基準源設計

摘要 基于TSMC40 nm CMOS工藝設計了一種高精度帶隙基準電路。采用Spectre工具仿真，結果表明，帶隙基準輸出電壓在溫度為-40～125℃的范圍內具有10×10-6／℃的溫度系數，在電源電壓在1．5～3．3 V變化時，基準輸出電壓隨電源電壓變化僅為0．42 mV，變化率為0．23 mV／V，采用共源共柵電流鏡后，帶隙基準在低頻下的電源電壓抑制比為-72 dB。
關鍵詞 帶隙基準；溫度系數；電源電壓抑制比；高階補償

在模擬電路基本模塊中，基準源是必不可少的基本模塊。廣泛應用于模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)、低壓差線性穩壓器(LDO)、電壓調節器、高精度比較器、電壓檢測器等模擬和數模混合集成電路中，其性能好壞直接影響著系統的性能穩定。
在集成電路中，有3種常用的基準源：掩埋齊納基準源、XFET基準源和帶隙基準源。掩埋齊納基準源和XFET基準源的輸出溫度穩定性良好，但制造流程都不能兼容標準CMOS工藝。而帶隙基準源電路具有低溫度系數、高電源抑制比、以及能與標準CMOS工藝相兼容等優點被廣泛的研究與應用，它為系統提供一個與電源電壓、工藝參數和溫度其無關的直流電壓或電流。

1 帶隙基準原理
帶隙基準的基本原理就是將兩個具有相反溫度系數的電壓以一個合適的權重相加，最終獲得具有零溫度系數的基準電壓。假如V1和溫度變化方向相同，也就是說具有正溫度系數V2和溫度的變化方向相反，具有負溫度系數。以合適的權重將這兩個電壓相加，選取適當的a和b系數使其滿足

雙極型晶體管具有以下兩個特性：
(1)雙極型晶體管的基一射極電壓VRE具有與絕對溫度成反比的特性。
(2)在不同集電極電流的情況下，兩個雙極型晶體管的基-射極電壓差值△VRE與絕對溫度成正比。
將得到的正負溫度系數的電壓VRE和△VRE分別乘以一個合適的系數a和b，然后相加減
VREF=aVRE+bVTlnn (3)
這樣就可以得到—個與溫度無關的零溫度系數電壓。

2 電路設計
2．1 帶隙核心電路設計
圖1中，R2a=R2b=R2，而且是相同類型的電阻。高增益的運算放大器使電路工作在深度負反饋狀態，假設VX=VY，那么流過電阻R2a和R2b的是與溫度成反比的電流，而流過電阻R1的是與溫度成正比的電流，這兩個電流求和后，通過電流鏡取出，最后在電阻R3上產生壓降，即為基準輸出電壓。

假設Q0和Q1的發射結面積之比為N，那么流過電阻R1的電流為

由式(6)可知，可以通過改變R3／R2的比值來調整輸出電壓。