一種高精度電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)方法

程 亮

(山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院，山西太原030024)

在集成電路中，基準(zhǔn)源包括基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源，其主要為電路提供穩(wěn)定性較高的電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)。隨著SoC技術(shù)的發(fā)展，基準(zhǔn)源成為數(shù)模混合芯片的重要組成部分，基準(zhǔn)源的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。

基準(zhǔn)電壓源通常給系統(tǒng)的其他模塊提供高精度參考電壓，廣泛應(yīng)用于數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器和數(shù)?；旌霞呻娐分小Ｆ淠康氖菫殡娐废到y(tǒng)建立一個(gè)與電源和工藝無關(guān)、具有確定溫度特性的直流電壓。

常規(guī)的帶隙基準(zhǔn)源溫度系數(shù)一般都大于15 ppm/K，電源抑制比也不夠理想，不能滿足高性能系統(tǒng)的要求。本文采用高階非線性和分段曲率兩種溫度補(bǔ)償相結(jié)合的方法，獲得了極低的溫度系數(shù)。

1 電路原理

傳統(tǒng)的一階線性補(bǔ)償采用VREF=VBE+VTlnn的方法，可以消除VBE的一階線性項(xiàng)，而非線性部分則需要額外的電路來進(jìn)行高階項(xiàng)的抵消。具體設(shè)計(jì)電路如圖1所示。其中，PNP管Q2的面積與Q1的面積比為N∶1。運(yùn)算放大器的作用是使A、B兩點(diǎn)電位近似相等，使得流過電阻R1的電流性質(zhì)為正溫度系數(shù)的電流。使電路中R2=R3，得到流過R2和R3的電流具有負(fù)溫度系數(shù)，并且大小相等。通過正負(fù)溫度系數(shù)電流疊加可知流過M1、M2、M3和Q3的電流與溫度無關(guān)。進(jìn)一步選取電阻R4=R5，使得流過R4、R5的電流與VT1n(T/T0)成正比。圖1中基準(zhǔn)電壓通過計(jì)算，選擇合適的R2、R1和N的數(shù)據(jù)，可以巧妙地消除VEB1的一次線性項(xiàng);當(dāng)R4=R2/(η－1)時(shí)，可以消除VEB1的高次項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓溫度特性的高階補(bǔ)償。

圖1 高階溫度補(bǔ)償電路

圖2 分段曲率補(bǔ)償電路

分段曲率補(bǔ)償［1］的原理是當(dāng)電路工作溫度高于TH時(shí)，電路中增加高溫補(bǔ)償電流IH;當(dāng)電路工作溫度低于TL時(shí)，電路中增加低溫補(bǔ)償電流IL。

在圖2中，當(dāng)溫度T＜TL時(shí)，M1、M2關(guān)斷，M3、M4導(dǎo)通，產(chǎn)生低溫補(bǔ)償電流IL，此時(shí)IH=0。當(dāng)溫度T＞TH時(shí)，M3、M4關(guān)斷，M1、M2導(dǎo)通，產(chǎn)生高溫補(bǔ)償電流 IH，此時(shí) IL=0。當(dāng)TL＜T ＜TH時(shí)，M1、M2 、M3、M4全部關(guān)斷，IL=IH=0，曲率補(bǔ)償電路失效。使用該方法可以大幅度減小溫度系數(shù)。

2 電路設(shè)計(jì)

圖3為本文設(shè)計(jì)的電路圖，共由5部分組成，包括啟動(dòng)電路、正負(fù)溫度系數(shù)電流電路、高階補(bǔ)償電路、分段曲率補(bǔ)償電路和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。

從圖中觀察可知，流過MP6和R1的電流為負(fù)溫度系數(shù)電流，流過電阻R2的電流為正溫度系數(shù)電流。此正負(fù)電流通過MP9和MP10進(jìn)行鏡像，兩路鏡像電流疊加后流過Q3，使得該電流與溫度無關(guān)，再由R4和R3來完成高階補(bǔ)償。流過MP7和MP8的正溫度系數(shù)電流就具有了高階項(xiàng)，最終由MP11和MP12鏡像兩類電流來產(chǎn)生消除了線性項(xiàng)和高階項(xiàng)的基準(zhǔn)電壓。

繼續(xù)對基準(zhǔn)進(jìn)行分段補(bǔ)償，得到最后的基準(zhǔn)電壓VREF=(IP+IN)(R5+R6)+(IL+IH)·R6可以通過改變MP20、MP19和MP15、MP16的寬長比來調(diào)節(jié) IL和IH的大小，TH和TL這兩個(gè)邊界溫度由MP18、MN8和MP14、MN6的寬長比來確定。

圖3 溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓源電路

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于0.35 μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝模型，使用HSPICE仿真器對電路進(jìn)行仿真模擬。在VCC=3 V，T=25℃的典型條件下，得到基準(zhǔn)瞬態(tài)值為505.87 mV。如未特別說明，仿真在TT工藝角條件下完成。

圖4 溫度特性仿真波形(505 mV)

在－40℃ ～125℃溫度范圍內(nèi)對電路進(jìn)行仿真，只進(jìn)行一階線性補(bǔ)償時(shí)，溫度系數(shù)達(dá)到了19.2 ppm/℃，當(dāng)采用高階非線性溫度補(bǔ)償后和分段曲率溫度補(bǔ)償后，溫度系數(shù)減小到0.62 ppm/℃。最終的仿真波形如圖4所示?；鶞?zhǔn)在全溫度范圍內(nèi)變化約50 μV，能夠滿足高精度電路系統(tǒng)對溫漂的要求。

圖5 溫度特性仿真波形(1.25 V)

根據(jù)上述公式計(jì)算，更改R5、R6的阻值，把基準(zhǔn)電壓在25℃下瞬時(shí)輸出值調(diào)節(jié)到1.25 V?；鶞?zhǔn)電壓在165℃的全溫度范圍內(nèi)僅僅變化了0.4 mV，計(jì)算得出溫度系數(shù)為1.93 ppm/℃，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖6 溫度特性仿真波形

圖6中的仿真結(jié)果是在不同的工藝角下面得出的。最大的溫度系數(shù)出現(xiàn)在FF工藝下，經(jīng)計(jì)算溫度系數(shù)為2.93 ppm/℃。

本文采用高階溫度補(bǔ)償和分段曲率補(bǔ)償相融合的思路設(shè)計(jì)的高精度基準(zhǔn)電壓源，在最極端工藝條件下，在165℃的全溫度范圍內(nèi)，輸出的基準(zhǔn)電壓變化小于0.3 mV，溫度系數(shù)小于3 ppm/℃。能夠很好地滿足亞微米條件下ADC或DAC系統(tǒng)芯片對基準(zhǔn)電壓的性能要求。

［1］Ming－Dou Ker，Jung－Sheng Chen，Ching－Yun Chu.New Curvature－Compensation Technique for CMOS Band gap Reference with Sub－1－V Operation［J］.IEEE Journal of Solid State Circuits，2005.