0 引言

    高性能的帶隙基準源能夠提供與電源電壓、溫度以及工藝等外界參數無關的基準電壓電流量，因此帶隙基準源被廣泛應用在存儲器、A/D轉化器、振蕩器、電源管理芯片等現代數模混合電路中^[1]。然而傳統帶隙基準源的溫度系數只能做到2×10^-5/℃～5×10^-5/℃內，直接影響到芯片甚至整個電路系統性能的提高。為此，人們提出了多種溫度補償方法，但是傳統的溫度補償方法只對基準電壓的低階溫度分量做了一次修正，溫度系數無法做到很小^[2]。本文設計了一種帶隙基準源分段線性補償改進方法，在整個溫度區域內對基準電壓的高階溫度分量分7段進行精確曲率補償，達到了高精度、低溫漂、高可靠性的要求。

1 分段線性補償原理及改進方法

1.1 帶隙基準電壓源原理

    傳統帶隙基準電壓源如圖1所示。其中，R₁=R₂，Q1和Q2為發射結面積之比為1：n的NPN管。由于理想運算放大器的“虛短”和“虛斷”特性，使得X點的電位被鉗制到Y點電位上。有：

    欲基準電壓的溫度系數為零，即：

1.2 分段線性補償方法分析

    由于帶隙基準核中V_BE具有溫度非線性，其特性曲線一般為開口向下的拋物線^[5]。傳統的分段線性補償電路只能在低溫或高溫段進行一次曲率補償，基準電壓的溫度系數并不能得到有效降低。

    本文采用微元分割思想設計了一款改進型分段線性補償電路，原理拓撲如圖2所示。為了對呈開口向下拋物線形狀的帶隙基準電壓進行高精度曲率修正，設計了6個溫度斜率可控的線性補償電流源，通過補償電阻作用疊加到帶隙基準電壓上，實現在整個溫度范圍內分7段對基準電壓進行高精度分段曲率修正。

2 本文提出的改進型分段線性補償電路

2.1 本文提出的改進型分段線性補償方法實現電路

    本文提出的改進型分段線性補償方法實現電路如圖3所示。其中低溫補償電路comp_1～3采用以V_BE基準自偏置電路^[6]構成的負溫度系數(Complementary To Absolute Temperature，CTAT)電流源與正溫度系數(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)偏置電流進行求差，以實現低溫段溫度曲率可控的CTAT電流源。其中，低溫補償電路comp₁是由M52、M54、R₁₃和Q10組成、以V_BE10為基準自偏置的CTAT電流源，M52的漏極電流為：

    由于V_BE具有負溫度系數，因此I_M52為CTAT電流。為了實現對溫度曲率的可控，M48、M50和M51組成電流鏡以實現CTAT電流與PTAT偏置電流求差。根據KCL可得：

式中，k₁和α由M48、M50和M51的寬長比決定，通過調整管子的寬長比可以控制I_comp1的斜率。

    低溫補償電路comp₁工作過程如下：當溫度小于低溫臨界溫度T時，具有負溫度系數的I_M52大于正溫度系數的I_PTAT，其差值I_comp1大于零且具有斜率可控的負溫度系數。隨著溫度的升高，I_M52減小，I_PTAT增大，當到達臨界溫度T時，兩者相等，M51管進入線性區截止，低溫補償電路comp₁停止工作。低溫補償電路comp_2～3采用和comp₁相同電路架構，通過設置comp_2～3中補償電流鏡的寬長比和電阻值，可以控制補償電流的溫度斜率，低溫段分段線性補償電路如圖4所示。

    高溫補償電路comp_4～6采用PTAT偏置電流與CTAT電流求差，以實現溫度斜率可控的PTAT補償電流源。其中高溫補償電路comp₄是由M34~M38、Q7和R₁₀構成以V_BE7為基準自偏置的CTAT電流源，M32、M34和M35組成電流鏡以實現PTAT偏置電流與CTAT電流求差，高溫段分段線性補償電流如圖5所示。根據KCL可得：

式中，k₂和β由M48、M50和M51的寬長比決定，因此通過調整管子的寬長比可以控制I_comp4的斜率。

    高溫補償電路comp₄工作過程如下：隨著溫度的升高，I_M34減小I_M33增大，當到達臨界溫度T時，M33管脫離線性區開始導通，此時具有正溫度系數的I_M33大于負溫度系數的I_M34，I_comp4大于零且具有斜率可控的正溫度系數。高溫補償電路comp_5～6采用和comp₄相同電路架構，工作過程一致。

2.2 偏置電流產生電路與帶隙基準核心電路

    偏置電流產生電路如圖6所示。其中M1~M4、Q1、Q2和R₁構成PTAT偏置電流源，為帶隙基準其他電路提供偏置電流。當偏置電流端I_bias輸入一個1.5 mA的啟動電流時電路開始啟動，由于Q2和Q1管的并聯數目為1:8，因此： 

    帶隙基準核心電路采用傳統帶隙基準電壓源形式，共分為基準電壓產生電路和運算放大器電路。其中Q4:Q5的并聯數目比為1:8，因此：

3 仿真結果與分析

    本文提出的改進型分段線性補償電路基于0.25 μm BCD工藝設計，采用HSPICE軟件進行仿真，仿真結果如下。

    圖7為改進型分段線性補償電流的溫度特性曲線。可以看出，在-40 ℃~125 ℃溫度范圍內，分段補償電路產生了7段不同斜率的電流，形成了一個近似開口向上的拋物線，進而對一階基準電壓進行精確曲率校正。

    圖8為溫度補償前和補償后的基準電壓溫度特性曲線。在-40 ℃~125 ℃溫度范圍內，溫度補償前基準電壓的波動值為2.488 mV，溫度系數為17.45×10^-6/℃。溫度補償后基準電壓波動值為62 μV，溫度系數為0.37×10^-6/℃。補償后基準電壓溫度系數有了較大改善。

    圖9為基準電壓的線性調整率，供電電壓V_DD在2 V~5 V范圍內變化時，V_REF的波動范圍為283 μV，線性調整率為0.094 mV/V。

    圖10是電源電壓V_DD=5 V時，在TT、SS、FF三種工藝角下的電源抑制比(PSRR)的仿真結果。可以看出在低頻時三種工藝角中最壞情況下電源抑制比為-85.06 dB，具有較高的電源波動抑制能力。

    為了更好地說明本文提出的帶隙基準的性能，表1給出了該基準與其他文獻中帶隙基準設計性能比較。

4 結論

    本文提出了一種帶隙基準源分段線性補償的改進方法，基于該分段線性補償方法設計了一種高精度低溫漂帶隙基準源。仿真結果表明：在-40 ℃~125 ℃溫度范圍內，帶隙基準源分段線性補償前溫度系數為17.45×10^-6/℃，分段線性補償后溫度系數為0.37×10^-6/℃。電源電壓在2 V~5 V范圍內，基準電壓波動值為283 μV，線性調整率為0.094 mV/V，帶隙基準電路在低頻時的電源抑制比為-85.06 dB，滿足低溫漂、高精度、高可靠性的要求。

參考文獻

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[6] 張宗航，趙毅強，耿俊峰.一種二階曲率補償帶隙基準電壓源[J].微電子學與計算機，2012，29(5)：15-19.

作者信息：

李宏杰，李  立，王丹丹

（安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽455000）