文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)09-0057-04
模擬集成電路中廣泛包含著電壓基準和電流基準源。提供參考電平的基準源，其性能直接影響整體電路的性能穩定。因此，設計寬輸入范圍、高精度、低溫度系數的帶隙基準源具有重要意義[1]。
本文設計了一種高精度基準電壓源，電路首先使用Wilder結構，實現高電壓轉化為低電壓，其后為啟動電路，再接一個帶有高階曲率補償的帶隙基準源，實現曲率補償，使基準具有低的溫度系數。
1 帶隙基準電路
本文提出的帶隙基準電路如圖1～圖3所示。電路由高壓轉低壓模塊、啟動電路模塊、帶曲率補償的帶隙基準核心模塊3部分組成。
1.1 高壓轉低壓模塊
如圖1所示，本模塊所有MOS管均采用耐高壓器件，并提出Widlar電路結構，可以將10 V～25 V高電壓轉換為4.0 V低電壓，供給后續模塊使用[2-3]。
(1)啟動階段分析
VIN電壓逐漸升高，將會開啟MNDB1與MNDB2管，使得電流流入電阻R3與R4從而開啟三極管NPN1與NPN2；NPN1的集電極電壓升高，從而開啟NPN9管，并控制MNDB3管，使SVIN電壓正確建立。
(2)工作原理
電路啟動后，NPN9為Widlor結構電路提供負反饋，使環路穩定；電容C1A提供補償，增加環路穩定性。如圖1所示，負反饋回路使NPN1的集電極和NPN2的集電極電流相等。對于一個雙極型器件，可以得到：
1.2 啟動電路模塊
啟動電路的作用在于使帶隙基準電路脫離簡并點，使基準電路正常上電工作[4]。如圖2所示，芯片上電時，MP1、MP2 和MP3管開啟從而使MP4與MP5支路開啟，為基準提供電流偏置。此時基準開始啟動，啟動階段MP10與MP11管形成差分對，比較LB4與基準輸出電壓VOUT的大小。在基準建立時LB4上的VBE電壓大于基準輸出電壓VOUT，因此MN3管開啟。將LB1電位拉低，如圖3所示，開啟MP12、MP13和MP14管。當基準正常工作后，VOUT電壓比LB4電壓高，關斷MN3，基準啟動完成。
1.3 帶曲率補償的帶隙基準核心模塊
傳統的帶隙基準只是對VBE的一次項進行補償。這種補償精度較低，一般的傳統的帶隙電壓基準的溫度系數約為30 ppm/℃，要是帶隙電壓基準的精度繼續提高，就必須對VBE的高階進行補償[5]。
本文設計了一種補償簡單的帶隙基準電路。該電路特點是器件少，占用面積小，只需在傳統的帶隙基準電路的基礎上，利用PN結二極管的伏安特性，通過添加一個串聯的電阻R13和二極管NPN8，再與電阻R14并聯實現。在補償電路中，晶體二極管兩端電壓被偏置在導通電壓0.7 V左右即可實現高階曲率補償。
由晶體二極管的溫度特性可知，二極管兩端正向導通電壓隨著溫度的升高而略有下降，即晶體二極管正向導通電壓具有負溫度系數[6-7]。隨著溫度升高，二極管兩端電壓相應降低，電阻R13兩端電壓略有上升。正是利用了晶體二極管的這種特性，當補償電流注入PTAT電流后，抵消了電流中所含的高階非線性項，實現了高階曲率補償。
如圖3所示，由于晶體二極管正向導通電壓具有負溫度特性，隨著溫度的提高，晶體二極管NPN8導通電壓下降，通過二極管NPN8電流發生變化，與PTPA電流相疊加，達到高階曲率補償的目的。
LB1與電路啟動模塊相連，啟動完成后，與啟動模塊斷開。圖4所示為運放OP1模塊，電路采用電容CC1和調零電阻RC1串聯補償的方法，可提高電路穩定性。
下面分析圖3中電阻R13、R14及NPN型二極管對電路的補償作用。與高壓轉低壓模塊分析方法類似，電阻R9=R10，VLB5=VLB6，由式(3)可以得到電阻R11上的電壓
本文主要設計了一種輸入電壓范圍寬、高階曲率補償結構簡單、溫度特性較好的帶隙基準源。在0 ℃～120 ℃溫度范圍內，其基準溫度系數為0.501 ppm/℃；在輸入10 V～25 V時，輸出電壓擺幅為31.49 mV。從而實現了輸入電壓范圍較寬、精度較高的設計要求，適用于對精度要求較高的A/D、D/A轉換器等元件中[8]。
參考文獻
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[2] 代赟，楊興.帶曲率補償的帶隙基準電流源的設計[J].物聯網技術，2012(2)：64-66．
[3] SANSEN W M C.Analog design essentials[M]．陳瑩梅，譯．北京：清華大學出版社，2007．
[4] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2003.
[5] 廖敏，周瑋.一種二階曲率補償的帶隙電壓基準[J]．現代電子技術，2009．
[6] ALLEN P E，HOLBERG D R．CMOS模擬集成電路設計(第2版)[M]．馮軍，李智群，譯．北京：電子工業出版社，2006．
[7] 陳星弼，張慶中.晶體管原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2008．
[8] 蔣師，楊維明，周一川，等.一種帶曲率補償的高精度帶隙電壓基準源[J].西安電子科技大學學報，2012(5)：39-43.