文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181719
中文引用格式： 李宏杰，李立，王丹丹. 一種帶隙基準(zhǔn)源分段線性補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(1)：31-34，38.
英文引用格式： Li Hongjie，Li Li，Wang Dandan. An improved method for piecewise linear compensation in gap reference source[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(1)：31-34，38.
0 引言
高性能的帶隙基準(zhǔn)源能夠提供與電源電壓、溫度以及工藝等外界參數(shù)無關(guān)的基準(zhǔn)電壓電流量，因此帶隙基準(zhǔn)源被廣泛應(yīng)用在存儲器、A/D轉(zhuǎn)化器、振蕩器、電源管理芯片等現(xiàn)代數(shù)模混合電路中[1]。然而傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)只能做到2×10-5/℃～5×10-5/℃內(nèi)，直接影響到芯片甚至整個電路系統(tǒng)性能的提高。為此，人們提出了多種溫度補(bǔ)償方法，但是傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法只對基準(zhǔn)電壓的低階溫度分量做了一次修正，溫度系數(shù)無法做到很小[2]。本文設(shè)計(jì)了一種帶隙基準(zhǔn)源分段線性補(bǔ)償改進(jìn)方法，在整個溫度區(qū)域內(nèi)對基準(zhǔn)電壓的高階溫度分量分7段進(jìn)行精確曲率補(bǔ)償，達(dá)到了高精度、低溫漂、高可靠性的要求。
1 分段線性補(bǔ)償原理及改進(jìn)方法
1.1 帶隙基準(zhǔn)電壓源原理
傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源如圖1所示。其中，R1=R2，Q1和Q2為發(fā)射結(jié)面積之比為1：n的NPN管。由于理想運(yùn)算放大器的“虛短”和“虛斷”特性，使得X點(diǎn)的電位被鉗制到Y(jié)點(diǎn)電位上。有：
欲基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為零，即：
1.2 分段線性補(bǔ)償方法分析
由于帶隙基準(zhǔn)核中VBE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(tǒng)的分段線性補(bǔ)償電路只能在低溫或高溫段進(jìn)行一次曲率補(bǔ)償，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)并不能得到有效降低。
本文采用微元分割思想設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)型分段線性補(bǔ)償電路，原理拓?fù)淙鐖D2所示。為了對呈開口向下拋物線形狀的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行高精度曲率修正，設(shè)計(jì)了6個溫度斜率可控的線性補(bǔ)償電流源，通過補(bǔ)償電阻作用疊加到帶隙基準(zhǔn)電壓上，實(shí)現(xiàn)在整個溫度范圍內(nèi)分7段對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行高精度分段曲率修正。
2 本文提出的改進(jìn)型分段線性補(bǔ)償電路
2.1 本文提出的改進(jìn)型分段線性補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)電路
本文提出的改進(jìn)型分段線性補(bǔ)償方法實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。其中低溫補(bǔ)償電路comp1～3采用以VBE基準(zhǔn)自偏置電路[6]構(gòu)成的負(fù)溫度系數(shù)(Complementary To Absolute Temperature，CTAT)電流源與正溫度系數(shù)(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)偏置電流進(jìn)行求差，以實(shí)現(xiàn)低溫段溫度曲率可控的CTAT電流源。其中，低溫補(bǔ)償電路comp1是由M52、M54、R13和Q10組成、以VBE10為基準(zhǔn)自偏置的CTAT電流源，M52的漏極電流為：
由于VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，因此IM52為CTAT電流。為了實(shí)現(xiàn)對溫度曲率的可控，M48、M50和M51組成電流鏡以實(shí)現(xiàn)CTAT電流與PTAT偏置電流求差。根據(jù)KCL可得：
式中，k1和α由M48、M50和M51的寬長比決定，通過調(diào)整管子的寬長比可以控制Icomp1的斜率。
低溫補(bǔ)償電路comp1工作過程如下：當(dāng)溫度小于低溫臨界溫度T時，具有負(fù)溫度系數(shù)的IM52大于正溫度系數(shù)的IPTAT，其差值Icomp1大于零且具有斜率可控的負(fù)溫度系數(shù)。隨著溫度的升高，IM52減小，IPTAT增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界溫度T時，兩者相等，M51管進(jìn)入線性區(qū)截止，低溫補(bǔ)償電路comp1停止工作。低溫補(bǔ)償電路comp2～3采用和comp1相同電路架構(gòu)，通過設(shè)置comp2～3中補(bǔ)償電流鏡的寬長比和電阻值，可以控制補(bǔ)償電流的溫度斜率，低溫段分段線性補(bǔ)償電路如圖4所示。
高溫補(bǔ)償電路comp4～6采用PTAT偏置電流與CTAT電流求差，以實(shí)現(xiàn)溫度斜率可控的PTAT補(bǔ)償電流源。其中高溫補(bǔ)償電路comp4是由M34~M38、Q7和R10構(gòu)成以VBE7為基準(zhǔn)自偏置的CTAT電流源，M32、M34和M35組成電流鏡以實(shí)現(xiàn)PTAT偏置電流與CTAT電流求差，高溫段分段線性補(bǔ)償電流如圖5所示。根據(jù)KCL可得：
式中，k2和β由M48、M50和M51的寬長比決定，因此通過調(diào)整管子的寬長比可以控制Icomp4的斜率。
高溫補(bǔ)償電路comp4工作過程如下：隨著溫度的升高，IM34減小IM33增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界溫度T時，M33管脫離線性區(qū)開始導(dǎo)通，此時具有正溫度系數(shù)的IM33大于負(fù)溫度系數(shù)的IM34，Icomp4大于零且具有斜率可控的正溫度系數(shù)。高溫補(bǔ)償電路comp5～6采用和comp4相同電路架構(gòu)，工作過程一致。
2.2 偏置電流產(chǎn)生電路與帶隙基準(zhǔn)核心電路
偏置電流產(chǎn)生電路如圖6所示。其中M1~M4、Q1、Q2和R1構(gòu)成PTAT偏置電流源，為帶隙基準(zhǔn)其他電路提供偏置電流。當(dāng)偏置電流端Ibias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(lián)數(shù)目為1:8，因此：
帶隙基準(zhǔn)核心電路采用傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源形式，共分為基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和運(yùn)算放大器電路。其中Q4:Q5的并聯(lián)數(shù)目比為1:8，因此：
3 仿真結(jié)果與分析
本文提出的改進(jìn)型分段線性補(bǔ)償電路基于0.25 μm BCD工藝設(shè)計(jì)，采用HSPICE軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下。
圖7為改進(jìn)型分段線性補(bǔ)償電流的溫度特性曲線。可以看出，在-40 ℃~125 ℃溫度范圍內(nèi)，分段補(bǔ)償電路產(chǎn)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(jìn)而對一階基準(zhǔn)電壓進(jìn)行精確曲率校正。
圖8為溫度補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓溫度特性曲線。在-40 ℃~125 ℃溫度范圍內(nèi)，溫度補(bǔ)償前基準(zhǔn)電壓的波動值為2.488 mV，溫度系數(shù)為17.45×10-6/℃。溫度補(bǔ)償后基準(zhǔn)電壓波動值為62 μV，溫度系數(shù)為0.37×10-6/℃。補(bǔ)償后基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)有了較大改善。
圖9為基準(zhǔn)電壓的線性調(diào)整率，供電電壓VDD在2 V~5 V范圍內(nèi)變化時，VREF的波動范圍為283 μV，線性調(diào)整率為0.094 mV/V。
圖10是電源電壓VDD=5 V時，在TT、SS、FF三種工藝角下的電源抑制比(PSRR)的仿真結(jié)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(zhǔn)的性能，表1給出了該基準(zhǔn)與其他文獻(xiàn)中帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)性能比較。
4 結(jié)論
本文提出了一種帶隙基準(zhǔn)源分段線性補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)方法，基于該分段線性補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)了一種高精度低溫漂帶隙基準(zhǔn)源。仿真結(jié)果表明：在-40 ℃~125 ℃溫度范圍內(nèi)，帶隙基準(zhǔn)源分段線性補(bǔ)償前溫度系數(shù)為17.45×10-6/℃，分段線性補(bǔ)償后溫度系數(shù)為0.37×10-6/℃。電源電壓在2 V~5 V范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓波動值為283 μV，線性調(diào)整率為0.094 mV/V，帶隙基準(zhǔn)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(xiàn)
[1] 青旭東，鐘黎，王永祿.一種低溫漂高電源抑制比帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44（1）：17-19.
[2] 王文建.一種高精度低溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)源[J].電子器件，2017，40（5）：1065-1067.
[3] 肖丹，吳婷茜.一種新型低功耗電流模式CMOS帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2017，40(2)：285-290.
[4] 唐宇，馮全源.一種低溫漂低功耗帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2014，33(2)：30-33.
[5] 彭何，王軍.0.13 ?滋m CMOS電流模式高精度基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(5)：34-37.
[6] 張宗航，趙毅強(qiáng)，耿俊峰.一種二階曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2012，29(5)：15-19.
作者信息：
李宏杰，李 立，王丹丹
（安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽455000）