一種新型高精度CMOS帶隙基準源的設計

引言
模擬電路中廣泛地包含電壓基準(reference voltage)和電流基準(current reference)。在數／模轉換器、模／數轉換器等電路中，基準電壓的精度直接決定著這些電路的性能。這種基準應該與電源和工藝參數的關系很小，但是與溫度的關系是確定的。在大多數應用中，所要求的溫度關系通常分為與絕對溫度成正比(PTAT)和與溫度無關2種。
近年來有研究指出，當漏電流保持不變時，工作在弱反型區晶體管的柵源電壓隨著溫度升高而在一定范圍內近似線性降低。基于該特性，帶隙基準源所采用的基極-發射極結可以被工作在弱反型區的晶體管代替產生低溫度系數的基準源。文獻中提到采用該設計原理的基準源，利用0．13μm工藝的低閾值電壓NMOS管和襯底調整的PMOS管實現其中的放大器。本文所采用的基準源電路利用傳統帶隙基準源的核心電路原理，通過飽和狀態MOS等效電阻對PTAT電流動態反饋補償，基本實現了基準源的穩定要求。

1 帶隙基準源的基本原理
帶隙基準源可以在0～70℃的溫度范圍內有lO ppm／℃的溫度系數。由室溫下溫度系數為-2．2 mV／℃的PN結二極管產生電壓為VBE。同時也產生一個熱電壓VT(VT=kT／q)，其與絕對溫度(PTAT)成正比，室溫下的溫度系數為0．085 mV／℃，則輸出電壓為：

將式(1)對溫度求導，用VBE和VT的溫度系數求出理論上不依賴于溫度的K值。為了達到所希望的性能，更詳細地分析VBE與溫度的關系是必須的。帶隙基準就是將負溫度系數的電壓與正溫度系數的電壓加權相加來抵消溫度對輸出電壓的影響。
1．1 負溫度系數電壓的產生
雙極晶體管的基極-發射極電壓具有負溫度系數，或者說PN結二極管的正向電壓具有負溫度系數。從文獻可得到與溫度的關系式：

式中：η為與三極管結構有關的量，其值大約為4；α為與流過三極管的電流有關的一個量，當PTAT電流流過三極管時α為1，當與溫度不相關的電流流過三極管時為O；T0為參考溫度；VBG為硅的帶隙電壓。由式(1)可以看出VBE是一個具有負溫度系數的電壓。
1．2 正溫度系數電壓的產生
兩個三極管工作在不同的電流密度下，它們的基極-發射極電壓的差值與絕對溫度成正比。如果兩個同樣的三極管(IS1=IS2)，偏置的集電極電流分別為nI0和I0，并忽略他們的基極電流，那么：

式中：△VBE表現出正溫度系數，而且此溫度系數是與溫度無關的常量。
1．3 一階溫度補償帶隙基準源
將正、負溫度系數的電壓加權相加，就可以得到一個近似與溫度無關的基準電壓。常見的一階可調基準源電路如圖1所示。

式中：N為Q2與Q1的發射結面積之比，式(4)中第一項具有負的溫度系數，第二項具有正、負溫度系數，合理設計R0與R1的比值和N的值，就可以得到在某一溫度下的零溫度系數的一階基準電壓。式(5)中方括號內是約為1．25 V的一階溫度無關基準電壓，通過調節R2／R0的比值，可以得到不同大小的基準電壓。