基于BiCMOS工藝可修調(diào)的高精度低溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)*

王文建

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院,杭州 310053)

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基于BiCMOS工藝可修調(diào)的高精度低溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)*

王文建*

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院,杭州 310053)

設(shè)計(jì)了一種利用電阻比值校正一階溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)電路的非線性溫度特性來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)的高精度低溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)源;同時(shí)設(shè)置了修調(diào)電路提高基準(zhǔn)電壓的輸出精度。該帶隙基準(zhǔn)源采用0.8 μm BiCMOS(Bipolar-CMOS)工藝進(jìn)行流片,帶隙基準(zhǔn)電路所占面積大小為0.04 mm2。測(cè)試結(jié)果表明:在5 V電源電壓下,在溫度-40 ℃～125 ℃范圍內(nèi),基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為1.2×10-5/℃,基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)為3.77×10-4/℃;電源電壓在4.0 V～7.0 V之間變化時(shí),基準(zhǔn)電壓的變化量為0.4 mV,電源調(diào)整率為0.13 mV/V;基準(zhǔn)電流的變化量為變化量約為0.02 μA,電源調(diào)整率為6.7 nA/V。

溫度傳感器芯片;帶隙基準(zhǔn);溫度系數(shù);電源調(diào)整率

溫度傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)儀表、消費(fèi)電子等領(lǐng)域[1-5],溫度傳感器芯片中需要高性能基準(zhǔn)源,基準(zhǔn)源提供的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流直接影響溫度傳感器的精度和穩(wěn)定性?；鶞?zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流都是從帶隙基準(zhǔn)電路輸出得到的,所以帶隙基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流的精度直接關(guān)系到芯片的性能。這就對(duì)帶隙基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流的精度提出了更高的要求,包括高輸出精度、低溫度系數(shù)、低電源電壓調(diào)整率、高電源抑制比等[6-16]。

本文設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電路是利用不隨溫度變化的電阻比值校正了一階溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)電路的非線性溫度特性,獲得低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流,同時(shí)通過設(shè)計(jì)修調(diào)電路獲得高精度和低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流,最后流片并給出測(cè)試結(jié)果。

1 電路功能與原理

1.1 電路功能

帶隙基準(zhǔn)電路的主要功能是產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流,該電壓和電流隨電源電壓和溫度的變化很小。在保證正常工作的條件下,要求靜態(tài)功耗盡量小。另外,帶隙基準(zhǔn)電路需要啟動(dòng)電路來(lái)保證正確的啟動(dòng)過程;反饋環(huán)路必須工作在穩(wěn)定的條件下。

本文設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電路主要是產(chǎn)生1.250 V的基準(zhǔn)電壓和3.0 μA的基準(zhǔn)電流,實(shí)現(xiàn)原理為VBE和ΔVBE的一階補(bǔ)償,通過修調(diào)進(jìn)一步提高精度。

1.2 工作原理

帶隙基準(zhǔn)源如圖1所示,由啟動(dòng)電路和基準(zhǔn)產(chǎn)生電路。

圖1 帶隙基準(zhǔn)源電路

1.2.1 啟動(dòng)電路

如圖1所示,由于M1的柵極接地而導(dǎo)通,R1、M1、Q3形成從電源到地的通路,M3的柵極拉低而導(dǎo)通,同時(shí)Q2也正常工作,可以設(shè)置M3的上拉能力大于Q2的下拉能力使節(jié)點(diǎn)C為高電平,啟動(dòng)開始;通過節(jié)點(diǎn)C可以獲知電路的啟動(dòng)狀態(tài),當(dāng)節(jié)點(diǎn)C為高電平時(shí)啟動(dòng)正常,節(jié)點(diǎn)C為低電平時(shí)啟動(dòng)未開始。同時(shí),M2的柵極接地而導(dǎo)通,其所在的通路R1、M2、Q1、Q3導(dǎo)通,流過Q1的電流通過鏡像方式使得Q4導(dǎo)通,這樣就有電流流過基準(zhǔn)生成電路,起到啟動(dòng)電路的作用。

1.2.2 基準(zhǔn)產(chǎn)生電路

如圖1所示,M6采用二極管連接方式,與Q4、R9支路構(gòu)成通路,此時(shí)M4、M8、M10導(dǎo)通;R9支路導(dǎo)通后,R7、R8兩條支路有電流通過,使得Q7、Q8導(dǎo)通;Q7、M11、 M10支路導(dǎo)通,使M7、M9和M13導(dǎo)通。此時(shí)R9上端電位升高使Q4截止,啟動(dòng)電路停止工作,支路電流由M9來(lái)提供;Q4截止后,M6柵極和漏極的電位由M4、M5、M7、Q8和R10共同決定;此時(shí)基準(zhǔn)生成電路正常工作,輸出基準(zhǔn)電壓VREF和基準(zhǔn)電流IREF。

Q6的發(fā)射極面積是Q5的8倍,有ISQ6=8ISQ5,其中反饋通路保證通過Q5和Q6的電流相等,所以流過R2的電流為:

(1)

(2)

式中:RTRIM為修調(diào)電阻;兩邊對(duì)溫度求導(dǎo)有:

(3)

圖1中常溫下VBE6的溫度系數(shù)為-1.5 mV/℃,而VT的溫度系數(shù)為0.087 mV/℃;因此要使VREF在室溫下為零溫度系數(shù),則有:

(4)

通過對(duì)修調(diào)電阻RTRIM進(jìn)行修調(diào),即是對(duì)電阻比值進(jìn)行調(diào)整,可得到接近零溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓。

1.2.3 基準(zhǔn)電流IREF

如圖1所示,M9的源極電壓為:

(5)

則,基準(zhǔn)電流IREF為:

(6)

R11可以采用負(fù)溫度系數(shù)的多晶POLY電阻,這樣可以和負(fù)溫度系數(shù)的VBE6抵消一部分溫度帶來(lái)的影響,另一方面在調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓時(shí)通過調(diào)節(jié)修調(diào)電阻來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)和精度。

1.2.4 修調(diào)電阻RTRIM

圖2 修調(diào)電阻

如圖2為修調(diào)電阻RTRIM,其中D、E、F、G、H為修調(diào)點(diǎn),對(duì)應(yīng)的電阻分別為8kΩ、16kΩ、32kΩ、64kΩ、128kΩ,2次方倍增加,這樣是為了曲線調(diào)節(jié)的圓滑;修調(diào)前修調(diào)點(diǎn)是通過鋁條連接的,把所并聯(lián)的電阻短掉。根據(jù)式(4)可知,調(diào)節(jié)修調(diào)電阻RTRIM可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù),另一方面根據(jù)式(2)得,可以通過調(diào)節(jié)修調(diào)電阻進(jìn)而調(diào)節(jié)電阻比值來(lái)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的輸出精度。通過燒斷修調(diào)點(diǎn)所在的鋁條,使得修調(diào)以后與其并聯(lián)的電阻放開,串聯(lián)在電路中,總電阻增大。

由于修調(diào)電阻前后的基準(zhǔn)電壓比值恒定,基準(zhǔn)電壓比值可以作為修調(diào)測(cè)試的依據(jù)。燒斷表示電阻加大,修調(diào)的電阻越大,基準(zhǔn)電壓越高。具體燒斷哪個(gè)鋁條,根據(jù)表1查詢得到。測(cè)試時(shí),記下初始基準(zhǔn)電壓值V0,目標(biāo)值1.250 0V(芯片要求基準(zhǔn)電壓在1.225 0V～1.275 0V之間)除以V0得到X值,到表1中查找接近的X值,由X值確定修調(diào)點(diǎn)。例如,設(shè)修調(diào)前的基準(zhǔn)電壓為1.223 0V,則,

(7)

表1 修調(diào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)電壓值

查表1,序號(hào)19的X值1.022 3比較接近1.022 1,通過直接燒斷修調(diào)點(diǎn)E、H即可。

修調(diào)點(diǎn)的燒斷方式很多:①采用激光方式,這種方式成本高;②采用在修調(diào)點(diǎn)兩端的PAD上加3 V電壓來(lái)燒斷鋁條;③采用在修調(diào)點(diǎn)兩端的PAD上加-3 V電壓來(lái)燒斷鋁條;④采用在修調(diào)點(diǎn)兩端的PAD上灌電流方式來(lái)燒斷鋁條。可以根據(jù)測(cè)試條件選擇采用哪種方式進(jìn)行修調(diào);該帶隙基準(zhǔn)源采用方式②。

2 芯片版圖

圖3為帶隙基準(zhǔn)源芯片照片,面積大小為0.04 mm2,采用0.8 μm BiCMOS工藝進(jìn)行流片。

圖3 帶隙基準(zhǔn)源芯片照片

圖4 基準(zhǔn)電壓VREF隨電源電壓VDD變化曲線

3 測(cè)試結(jié)果及分析

流片后,對(duì)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行了測(cè)試。

圖4為基準(zhǔn)電壓VREF隨電源電壓VDD變化曲線。電源電壓VDD在4.0 V～7.0 V變化時(shí),基準(zhǔn)電壓VREF的變化量約為0.4 mV,電源調(diào)整率為0.13 mV/V。圖5為基準(zhǔn)電壓VREF溫度特性曲線。在5.0V電源電壓下,在溫度-40 ℃～125 ℃范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為1.2×10-5/℃。圖6為基準(zhǔn)電壓IREF隨電源電壓VDD變化曲線。電源電壓VDD在4.0 V～7.0 V變化時(shí),基準(zhǔn)電流IREF的變化量約為0.02 μA,電源調(diào)整率為6.7 nA/V。圖7為基準(zhǔn)電流IREF溫度特性曲線。在5.0 V電源電壓下,在溫度-40 ℃～125 ℃范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為3.77×10-4/℃。

圖5 基準(zhǔn)電壓VREF溫度特性曲線

圖6 基準(zhǔn)電流IREF隨電源電壓VDD變化曲線

圖7 基準(zhǔn)電流IREF溫度特性曲線

4 結(jié)論

利用電阻比值校正了一階溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)電路的非線性溫度特性來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù),設(shè)置了修調(diào)電路提高基準(zhǔn)電壓的輸出精度。采用0.8 μm BiCMOS工藝進(jìn)行流片,帶隙基準(zhǔn)源所占面積大小為0.04 mm2。測(cè)試結(jié)果表明:在5 V電源電壓下,在溫度為-40 ℃～125 ℃范圍內(nèi),基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為1.2×10-5/℃,基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)為3.77×10-4/℃;電源電壓在4.0 V～7.0 V之間變化時(shí),基準(zhǔn)電壓的變化量為0.4 mV,電源調(diào)整率為0.13m V/V;基準(zhǔn)電流的變化量為變化量約為0.02 μA,電源調(diào)整率為6.7 nA/V。所設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源具有高精度、低溫度系數(shù),能滿足溫度傳感器的使用要求,并可用于電源管理類芯片中,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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Design of High Precision Low Temperature Coefficient Bandgap Reference with Trimming Based on BiCMOS Process*

WANG Wenjian*

(Applied Engineering College,Zhejiang College of Business,Hangzhou 310053,China)

A high precision low temperature coefficient bandgap reference is designed. The bandgap reference source corrects the non-linear temperature characteristic of the bandgap reference circuit of the first-order temperature coefficient by using the ratio of the resistance,so that the accuracy and the temperature coefficient of the reference voltage are greatly improved. The trimming circuit is also used to improve the output accuracy of the reference voltage. 0.8 μm BiCMOS(Bipolar-CMOS)process was used to fabricate the wafers. The bandgap reference circuit occupied 0.04 mm2. The results show that the temperature coefficient of the reference voltage is 1.2×10-5/℃ and the temperature coefficient of the reference current is 3.77×10-4/℃ in the temperature range of -40 ℃～125 ℃ under the 5 V power supply voltage. When the power supply voltage changes between 4.0 V～7.0 V,the variation of the reference voltage is 0.4 mV and power supply regulation rate is 0.13 mV/V,the variation of the reference current is about 0.02 μA and power supply regulation rate is 6.7 nA/V.

temperature sensor chip;bandgap reference;temperature coefficient;power supply regulation

王文建(1973-),男,碩士,高級(jí)工程師,從事電源管理和數(shù)?；旌霞呻娐吩O(shè)計(jì)和研究,540843839@qq.com。

項(xiàng)目來(lái)源:浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2017C31077)

2016-11-04 修改日期:2016-12-14

TN432

A

1004-1699(2017)05-0674-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.007