一種新型的電流模式曲率補償帶隙基準源

摘要：提出了一種新型的低壓帶隙基準源，與傳統的帶隙基準不同，該電路引入了第三個電流，以消除雙極型晶體管射基電壓的溫度非線性項，從而實現曲率補償。采用0．18μm CMOS工藝進行設計驗證，HSpice仿真結果表明，室溫下的輸出電壓為623 mV，-55～+125℃范圍內的溫度系數為4．2 ppm／℃，1．0～2．1 V之間的電源調整率為0．9 mV／V。
關鍵詞：帶隙基準源；曲率補償；低壓；溫度系數

基準電壓源廣泛應用于A／D和D／A轉換器、開關電源等電路之中。在眾多的基準電壓源中，由于帶隙基準能成功地在標準CMOS工藝中實現，并得到良好的性能而廣受歡迎。隨著電池供電產品(如手機，筆記本電腦等)的發展，對低壓電源電壓的要求也逐步增高。利用電阻分壓的方法和低閾值電壓器件能夠實現可工作在1 V以下的CMOS帶隙基準源。
同時，由于數據轉換精度的不斷提高，基準源的溫度穩定性也面臨著新的挑戰。許多曲率補償技術應運而生，諸如：二次溫度補償、指數溫度補償、分段線性曲率校正、電阻溫度補償等等。除了上述的這些方法外，M．D．Ker和J．S．Chen還提出了一種可工作在1 V以下的新型曲率補償帶隙基準，所用的結構利用到了NPN和PNP兩種寄生雙極型晶體管(BJT)。本文提出了一種類似的補償技術，但僅需用到PNP型BJT。

1 傳統低壓帶隙基準源的工作原理
圖1是傳統低壓帶隙基準的電路結構。該基準電路能夠工作在低電源電壓的關鍵是將電壓疊加轉換成電流疊加。如圖1所示，輸出電流和輸出電壓可分別表示：

式中：VT是熱電壓，VT=kT／q；k為波爾茲曼常數(1．38×10-23J／K)；q為電子的帶電量(1．6×10-19C)，N為BJT管Q1和Q2的發射結面積比。以上兩式的最后一項都是線性正比于絕對溫度(PTAT)，被用于補償Veb2的負溫度系數。只要合適地選擇N，R1，R2和R3，就能得到一個具有低溫度漂移特性，且值低于1 V的參考電壓。然而，與式(2)的最后一項相比，Q2的射基電壓(Veb2)并不是關于溫度理想線性的。BJT管的
射基電壓Veb可以表示為：

式中：VG為0 K時硅材料的外推帶隙電壓值；η為與工藝技術相關的系數；m為BJT管集電極電流的溫度依賴階數；T0為參考溫度。

上式中包含了一個溫度非線性項Tln(TVT／T0)。將式(3)做泰勒展開，可得：

式中：a0，a1，a2，…，an都是常數。一階溫度補償技術主要是補償a1T項，這是傳統帶隙基準源的情況。若要得到更低的溫度系數，需要采用曲率補償技術去補償式(4)中的那些高階項。類似于圖1，本文提出的電路結構也基于電流疊加模式原理。電路中引入了第三個電流，以補償Veb的非線性，實現曲率補償。