0 引言

    在高精度集成電路系統(tǒng)中，低溫度系數(shù)﹑低工作電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計十分重要，基準(zhǔn)電壓的溫度特性直接影響電路精度和性能。本文根據(jù)低溫度系數(shù)﹑低工作電壓的要求，基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計，采用低壓運算放大器，提出了溫度曲率校正的方法，最終實現(xiàn)了低溫度系數(shù)﹑低工作電壓的CMOS帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計。經(jīng)過仿真驗證，電源電壓在1.3 V時電路可以正常工作，輸出電壓的平均溫度系數(shù)約為2.2 ppm/℃。

1 一階溫度補償電路

    如圖1所示，電路中采用了一種低電壓運算放大器進(jìn)行鉗位，保證M、N電壓近似相等。電路設(shè)計器件M₁、M₂、M₃的尺寸相同，Q₁和Q₂的發(fā)射極面積為M：1，電阻R₁=R₂。

    由于：V_M=V_N、R₁=R₂、I₁=I₂=I₃，所以：I_1a=I_2a、I_1b=I_2b

    I_1a=V_BE1/R₁、I_1b=I_2b=(V_BE1-V_BE2)/R₃=V_T ln M/R₃

    I₃=I₁=I₂=I_1a+I_1b=V_BE1/R₁+V_T ln M/R₃

    輸出電壓：

    從式(1)可知，V_BE1為負(fù)溫度系數(shù)電壓，V_T ln M為正溫度系數(shù)電壓，所以輸出電壓V_OUT為一個經(jīng)過一階溫度補償?shù)碾妷海梢酝ㄟ^調(diào)整電阻比值和系數(shù)M調(diào)整輸出電壓V_OUT的大小和精度。

2 曲率補償

    圖1所示的電路并不能滿足對高精度基準(zhǔn)源輸出的要求，原因是雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_BE，即PN結(jié)二極管的正向電壓是負(fù)的高階溫度系數(shù)，一階溫度補償電路不能消除高階溫度系數(shù)影響，要減少帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)，必須消除高階溫度系數(shù)的影響。曲率校正電路如圖2所示。

    圖2中M4、M5、M10、M11、R₅構(gòu)成偏置電路，M10、M11工作在亞閾值工作區(qū)，利用MOS器件的亞閾值特性為C點提供正溫度系數(shù)的偏置電壓，C點提供正溫度系數(shù)的偏置電壓，器件M6、M7、M8、M9的電流是溫度的高階函數(shù)。設(shè)計M7和M9尺寸相同，進(jìn)而電流I₇=I_n。

    V_D=V_T ln(I_c/I_SS)，V_E=V_T ln[(I_d+I_n)/I_SS]

    在D、E兩點產(chǎn)生電壓差，I_n×R₄=(V_D-V_E)=V_T ln[(I_d+I_n)/I_SS]。

    I_n對溫度求偏導(dǎo)得：

    由式(2)可知，將高階溫度補償電流I_n引入到一級溫度補償電路作為補償電流，輸出電壓式(1)調(diào)整為：

    式(3)中，I_n是溫度的高階函數(shù)電流，通過調(diào)節(jié)補償電流的大小可以調(diào)節(jié)V_OUT的高階溫度系數(shù)。

3 電路仿真

    如圖3所示，電源電壓VCC為1.8 V，溫度掃描范圍為-20 ℃～120 ℃，一階溫度補償電路輸出電壓平均溫度系數(shù)為11 ppm/℃。

    如圖4所示，電源電壓VCC為1.8 V，溫度掃描范圍為-20 ℃～120 ℃。從圖中可以看到補償電流是溫度的高階函數(shù)。

    如圖5所示，經(jīng)過曲率校正電路校正，電源電壓VCC為1.8 V，溫度掃描范圍為-20 ℃～120 ℃，輸出電壓平均溫度系數(shù)為2.2 ppm/℃。

    如圖6所示，在27 ℃環(huán)境下，對電源電壓進(jìn)行DC掃描，電源電壓大于1.3 V電路就可正常工作。

    比較圖3和圖5所示的Hspice仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過曲率校正電路對輸出電壓進(jìn)行高階溫度補償，使得輸出電壓平均溫度系數(shù)從原來的11 ppm/℃減小到2.2 ppm/℃，輸出電壓具有更高的輸出精度。圖6所示，在27 ℃環(huán)境下，電源電壓在1.3 V時電路就可以正常工作了。

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