一種低溫度系數(shù)的帶隙基準電壓源設計

張 瑛，王 劍，周洪敏

(南京郵電大學 電子科學與工程學院,江蘇 南京 210046)

一種低溫度系數(shù)的帶隙基準電壓源設計

張 瑛，王 劍，周洪敏

(南京郵電大學 電子科學與工程學院,江蘇 南京 210046)

基準電壓源是集成電路系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。溫度系數(shù)是基準電壓源的重要性能指標之一，而高階溫度補償技術是降低基準源溫度系數(shù)的有效方法?；跇藴?.18 μm CMOS工藝，設計了一種低溫度系數(shù)的帶隙基準電壓源，采用電流模結構的帶隙基準電路實現(xiàn)了低電源電壓工作，并通過VBE線性化補償技術實現(xiàn)了在低壓下的高階溫度補償。所設計的CMOS帶隙基準電壓源在-40～125 ℃的范圍內，溫度系數(shù)為6.855 ppm/℃，低頻時電源電壓抑制比達到了-95 dB，而電源電壓在0.6～1.8 V范圍內變化時線性調整率僅為0.2%。仿真實驗結果表明，該電路結構能夠有效提升帶隙基準電壓源的溫度性能。

帶隙基準；溫度系數(shù)；電流模；電源電壓抑制比

0 引 言

基準電壓源作為集成電路系統(tǒng)中的重要組成部分，其性能直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性?；鶞孰妷涸纯煞譃殡娏髂痘鶞孰妷涸碵1-3]和電壓模帶隙基準電壓源。與電壓模帶隙基準電壓源相比，電流模帶隙基準電壓源的輸出范圍不再固定，而是可以根據(jù)系統(tǒng)需求進行調整，同時能夠滿足低壓系統(tǒng)的工作要求。

隨著便攜式、穿戴式等應用系統(tǒng)對低壓低功耗的要求不斷提高，使得帶隙基準電路的工作電壓也越來越低，譬如David C. W. Ng等提出了一種帶隙基準電路，該電路能夠在1.0 V電壓下工作，功耗只有26μW，可以應用在低壓差線性穩(wěn)壓器中[4]。MaheshKumarAdimulam等提出了一種新型結構的帶隙基準電路，降低工作電壓的同時也改善了溫度系數(shù)[5]。EdwardK.F.Lee通過對傳統(tǒng)的電流模帶隙基準源的改進，使該電路同樣可以在1.0V電壓下工作[6]。用處于亞閾值區(qū)的MOS管取代帶隙基準中的PNP管連接成的二極管也可以有效降低電路功耗，譬如CamachoGaleano等基于工作在亞閾值區(qū)的器件，設計出超低功耗的參考源[7]。此外，采用特殊制造工藝從而獲得低功耗器件，也可以實現(xiàn)低功耗的帶隙電壓基準。譬如Bhupendra等利用浮柵CMOS設計了一種高精度的功耗只有500nA的帶隙電壓基準[8]。

溫度系數(shù)是帶隙基準電壓源的另一重要性能指標，在帶隙基準電路中加入高階溫度補償結構是降低基準源溫度系數(shù)的有效方法。一般零階溫度系數(shù)約為1.5～5mV/℃，當對帶隙基準源進行一階溫度補償之后，其溫度系數(shù)可以達到50～100ppm/°C，而采用高階補償策略則可以獲得更低的溫度系數(shù)[9-13]。VBE線性化技術利用不同工藝結構的電阻具有的不同溫度系數(shù)對電路進行溫度補償。譬如FeiyanMu等通過線性補償以及在核心電路中引入前置調節(jié)器，設計出在-55 °C至125 °C范圍內溫度系數(shù)為5.8ppm/°C的基準源[14]。而AbhisekDey等通過對帶隙基準源啟動電路的改進以及指數(shù)補償，設計出在-20 °C至100 °C范圍內溫度系數(shù)為5.5ppm/°C的基準源[15]。

文中基于標準0.18μmCMOS工藝，設計了一種低溫度系數(shù)的帶隙基準電壓源，通過采用電流模結構和VBE線性化補償技術實現(xiàn)了在低電源電壓下的高階溫度補償。仿真實驗結果表明，在-40～125 ℃范圍內該帶隙基準電壓源的溫度系數(shù)僅為6.855ppm/℃，低頻時電源電壓抑制比為-95dB，電源電壓在0.6～1.8V范圍內變化時線性調整率為0.2%。

1 帶隙基準電壓源基本原理

帶隙基準電壓源首先產生兩個分別具有正溫度系數(shù)的電壓V+和具有負溫度系數(shù)的電壓V-，并使輸出電壓VREF滿足：

VREF=αV++βV-

(1)

其中，α和β是待確定的設計參數(shù)，通過選擇合適的α和β使得VREF的溫度系數(shù)為零，即

α·?V+/?T+β·?V-/?T=0

(2)

下面介紹如何獲得具有正負溫度系數(shù)的電壓。

1.1 負溫度系數(shù)電壓

雙極型晶體管集電極電流Ic與基極-發(fā)射極電壓VBE之間的關系可表示為：

Ic=Isexp(VBE/VT)

(3)

其中，Is是雙極型晶體管的飽和電流；VT=kT/q，k為玻爾茲曼常量，q為電子電荷。

根據(jù)飽和電流Is的計算公式，可以得到VBE電壓的溫度系數(shù)為：

(4)

其中，參數(shù)m取為-1.5；Eg=1.12 eV是硅的帶隙能量。

當VBE=750mV，T=300K時，?VBE/?T≈-1.5 mV/℃。

由式(4)可知，VBE具有負的溫度系數(shù)，但其受到溫度變化的影響，因此帶隙基準只能在一個溫度點上獲得真正的零溫度系數(shù)。此外，負溫度系數(shù)的電壓會產生一個與溫度成反比(ContraryToAbsoluteTemperature，CTAT)的電流。

1.2 正溫度系數(shù)電壓

設兩個相同工藝的晶體管的集電極電流分別為nI0和I0，并忽略它們的集電極電流，那么它們基極-發(fā)射極電壓的差值可表示為：

(5)

因此VBE的差值表現(xiàn)出了正溫度系數(shù)，即

(6)

從式(6)可知，這個溫度系數(shù)與溫度本身以及集電極電流無關。正溫度系數(shù)電壓會產生與溫度成正比(ProportionalToAbsoluteTemperature，PTAT)的電流。

2 電路設計

對于正向工作的三極管，Tsividis在1980年推導出VBE和溫度及工藝相關的等式為[16]：

(7)

其中，Vg0是在0K時硅的帶隙電壓；T是絕對溫度；η是一個與溫度無關而與工藝相關的參數(shù)，其值大約在3.6～4之間；α是一個流過三極管偏置電流的溫度依賴參數(shù)，當偏置電流是一個PTAT電流時取值為1，當偏置電流與溫度無關時取值為0。

將式(7)整理得：

VBE(T)=a0-a1T-a2TlnT

(8)

根據(jù)式(8)可知，VBE含有高階項，因此僅通過一階溫度補償很難得到溫度系數(shù)很低的帶隙基準，為此需要進行高階溫度補償。對VBE進行高階溫度補償通常有兩種方法：一是利用數(shù)學中的泰勒公式對高階項TlnT進行展開，然后通過電路設計的方法抵消高階項；二是直接設計出能夠抵消掉高階項TlnT的電路或是與TlnT曲線變化大致相似的電路，從而消除多余項對基準源的影響，譬如指數(shù)型曲率補償方法。這里采用第二種補償方法。

所設計的帶隙基準電壓源的電路原理圖如圖1所示。其中，三極管Q1具有和絕對溫度成正比的電流偏置，因此對應的α為1，而三極管Q2是與溫度無關的電流偏置，因此對應的α為0。

根據(jù)式(7)，Q1和Q2的基極-發(fā)射極電壓可分別表示為：

(9)

(10)

VBE1和VBE2的電壓差加在線性補償電阻R3上，會產生一個含有TlnT項的電流INL，即

(11)

而輸出的基準電壓Vref則可以表示為：

(12)

由式(9)、(10)、(12)可知，當R2/R3的值為η-1時，就可以消除VEB1中的非線性項。根據(jù)上述理論最終優(yōu)化出圖1中電阻R1～R4的取值分別為：5.4kΩ，44kΩ，16.6kΩ和47kΩ。

圖1 帶隙基準電壓源的電路原理圖

圖1中的運算放大器需要具有較大的增益和較好的穩(wěn)定性，因此采用了具有米勒補償?shù)膬杉壏糯笃鹘Y構，電路原理圖如圖2所示。圖3為運算放大器頻率特性曲線，可以看出低頻增益約為101.9dB，單位增益帶寬為17.72MHz，相位裕度約為93.6°，性能滿足要求。

圖2 運算放大器的電路原理圖

圖3 運算放大器的頻率特性曲線

三極管Q0和Q1的發(fā)射極面積比設為N，如果N太小，那么為了保證基準源得到零溫度系數(shù)，電阻必然會取大值，這將導致電阻占用基準電路版圖的面積會很大；如果N太大，那么相應的三極管將占據(jù)基準電路版圖的面積會很大。因此將N取為8，并且三極管的版圖布局采用共質心法，其優(yōu)點在于其外面的八個管子在結構上將中間的管子包圍，這樣可以使中心管和外管在工藝上誤差小，匹配度好。此外，電路中的電流鏡管采用了低壓共源共柵電流鏡，減小了電流鏡中晶體管的失配以及襯偏效應對電流鏡像準確度的影響。

3 仿真結果

基于標準0.18μmCMOS工藝庫，實現(xiàn)了低溫度系數(shù)的帶隙基準電壓源的設計和仿真。電壓源線性調整率的仿真結果如圖4所示?？梢钥闯觯旊娫措妷哼_到0.8V時電路即可正常工作，說明該電路符合低壓工作條件。由圖4可知，電源電壓在1V時輸出電壓為701.96mV，在1.8V時輸出電壓為700.1mV，則其根據(jù)定義可以算得電壓源的電源調制率為：

在-40～85 ℃的寬溫度范圍內進行溫度掃描，得到的輸出電壓曲線如圖5所示。根據(jù)溫度系數(shù)的定義可以計算得到電壓源的溫度系數(shù)為：

圖4 輸出電壓隨電源電壓變化的曲線

圖5 輸出參考電壓的溫度特性

圖6為帶隙基準電壓源的電源抑制比(PowerSupplyRejectionRatio，PSRR)曲線。由圖6可知，電路在低頻時的PSRR達到了-95dB，表現(xiàn)出良好的抑制電源干擾特性。

圖6 電路的電源抑制特性

由于存在工藝的隨機擾動等一些不可預計的因素，集成電路加工過程中器件的尺寸會發(fā)生偏差，而片上的電阻產生較大偏差，因此就需要驗證在電阻R1～R4產生的變化對電路輸出電壓的影響。當溫度補償電阻R3阻值發(fā)生變化時，帶隙基準源溫度系數(shù)也會產生變化，如圖7所示。

圖7 線性補償電阻R3的偏差對輸出電壓的影響

由圖7可看出，當電阻R3的阻值為16.66kΩ時,電路輸出電壓的溫度系數(shù)達到最小,而當R3發(fā)生變化時溫度系數(shù)也會相應變大，因此在進行版圖設計時需要通過增大面積、采用對稱結構以及增加dummy電阻等方法來減小集成電路加工中電阻R3可能產生的偏差。

4 結束語

基準電壓源是集成電路系統(tǒng)中的重要組成部分，文中基于標準0.18μmCMOS工藝設計了一種低溫度系數(shù)的帶隙基準電壓源。仿真實驗結果表明，所設計的電壓源電路在-40～125 ℃范圍內溫度系數(shù)僅為6.855ppm/℃，低頻時電源電壓抑制比達到-95dB，并且電源電壓在0.6～1.8V內變化時線性調整率為0.2%，表現(xiàn)出了良好的綜合性能。

[1] 孫金中,馮炳軍.一種新型CMOS電流模帶隙基準源的設計[J].固體電子學研究與進展，2010,30(4):554-558.

[2] 李沛林,楊建紅.一種高精度BiCMOS電流模帶隙基準源[J].現(xiàn)代電子技術,2010,33(16):202-204.

[3] 盛詩敏,宋志成，李 威.一種基于閾值電壓的新型基準電壓源設計[J].微電子學,2014,44(3):293-296.

[4]NegDCW,KwongDKK,WongAN.Asub-1V,26W,low-output-impedanceCMOSbandgapreferencewithalowdropoutorsourcefollowermode[J].IEEETransactionsonVeryLargeScaleIntegrationSystems,2011,19(7):1305-1309.

[5]AdimulamMK,MovvaKK.AlowpowerCMOScurrentmodebandgapreferencecircuitwithlowtemperaturecoefficientofoutputvoltage[C]//ProcofAsiaPacificconferenceonpostgraduateresearchinmicroelectronicandelectronics.[s.l.]:[s.n.],2012:144-149.

[6] Lee E K.A low voltage low output impedance CMOS bandgap voltage reference[C]//Proc of IEEE international symposium on circuits & systems.[s.l.]:IEEE,2013:1482-1483.

[7] Camacho-Galeano E M,Galup-Montoro C,Schneider M C.A 2nW 1.1V self-biased current reference in CMOS technology[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II,2005,52(2):61-65.

[8] Ahuja B K,Vu H,Laber C A,et al.A very high precision 500-nA CMOS floating-gate analog voltage reference[J].IEEE Journal of Solid-state Circuits,2005,40(12):2364-2372.

[9] 王永順,井冰潔.帶有曲率補償?shù)母呔葞痘鶞孰妷涸丛O計[J].半導體技術,2014,39(1):14-18.

[10] 吳貴能,周 瑋,李儒章,等.通用二階曲率補償帶隙基準電壓源[J].微電子學,2010,40(2):204-208.

[11] 來新泉,郝 琦,袁 冰,等.一種二階曲率補償?shù)母呔葞痘鶞孰妷涸碵J].西安電子科技大學學報:自然科學版,2010,37(5):911-915.

[12] 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.

[13] 楊 鵬,吳志明,呂 堅,等.一種二階補償?shù)牡蛪篊MOS帶隙基準電壓源[J].微電子學,2007,37(6):891-894.

[14] Du F M A M.A 5.8ppm/°C bandgap reference with a preregulator[C]//Proc of ICEE.[s.l.]:[s.n.],2011.

[15] Dey A,Bhattacharyya T K.A CMOS bandgap reference with high PSRR and improved temperature stability for system-on-chip applications[C]//Proc of EDSSC.[s.l.]:[s.n.],2011:17-21.

[16] Khan Q A,Wadhwa S K,Misri K.A low voltage switched-capacitor current reference circuit with low dependence on process,voltage and temperature[C]//Proceedings of the 16th international conference on VLSI design.[s.l.]:[s.n.],2003:504-506.

Design of a Bandgap Voltage Reference with a Low Temperature Coefficient

ZHANG Ying,WANG Jian,ZHOU Hong-min

(College of Electronics Science & Engineering,Nanjing University of Posts &Telecommunications,Nanjing 210046,China)

The reference voltage source is an important part of the integrated circuit system,and it has a direct impact on the stability and robustness of the system.The temperature coefficient is one of the important performances of the reference voltage source,and the high-order temperature compensation technology is an effective way to reduce the temperature coefficient.A bandgap voltage reference with a low temperature coefficient is designed based on standard 0.18μmComplementaryMetalOxideSemiconductor(CMOS)process.Thecurrentmodestructureisusedtomakethecircuitworkingunderthelowpowersupplyvoltage,andthelinearcompensationtechnologyisappliedtocompletethehighordertemperaturecompensation.Thedesignedvoltagereferencegivesagoodlowtemperaturecoefficientof6.855ppm/℃inthetemperaturerangefrom-40to125degree,andprovidesagoodPowerSupplyRejectionRatio(PSRR)of-95dBinthelowfrequencyband.Thevoltagelinearregulationofthebandgapvoltagereferenceisonly0.2%whilethesupplyvoltagechangesfrom0.6Vto1.8V.Thesimulationresultsshowthatthecircuitstructurecanimprovethetemperatureperformanceofthebandgapreferencevoltagesourceeffectively.

bandgap reference;temperature coefficient;current mode;power supply rejection ratio

2015-05-18

2015-08-20

時間：2016-01-26

國家自然科學基金資助項目(61106021)；江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB510020)作者簡介：張 瑛(1980-)，男，博士，副教授，研究方向為射頻與微波集成電路設計。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1520.052.html

TN47

A

1673-629X(2016)02-0150-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.034