帶隙基準源高階曲率補償方法研究

程 亮

(山西經(jīng)濟管理干部學院, 山西 太原 030024)

0 引言

帶隙基準源是一種與電源電壓、環(huán)境溫度和半導體制造工藝的變動無關,能提供穩(wěn)定的電流或電壓的集成電路[1]?；鶞试词悄M集成電路,如模數(shù)轉換器(ADC),低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)及DC-DC轉換器的重要組成部分,其輸出信號的穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)的性能。

隨著電子技術的發(fā)展,對基準源的精度提出了更高的要求。高精度基準源一般通過消除溫度的線性效應和非線性效應來實現(xiàn)。抵消溫度的非線性效應即高階曲率補償技術是提高基準源精度的關鍵。高階曲率補償方法一般是通過產(chǎn)生一個極性相反的非線性項來抵消基準電壓中的非線性溫度特性。生成非線性項的方法有PTAT2曲率矯正技術[2]、 二極管環(huán)路技術[3]、β補償技術[4]及分段補償技術[5]等,這些技術產(chǎn)生的非線性項無法實現(xiàn)與基準電壓中的非線性溫度特性完全匹配。本文在深入分析帶隙基準電壓溫度特性的基礎上,提出了一種能夠與基準電壓中的非線性溫度特性完全抵消的非線性項產(chǎn)生電路,以實現(xiàn)低溫度系數(shù)的目的。

1 電壓溫度特性分析

電壓基準源由二極管、電流鏡和電流基準源三個部分組成。其中二極管電壓的溫度特性將影響整個基準電壓的精度。在實際的集成電路中二極管一般由基極和集電極短接的雙極型晶體管替代。雙極型晶體管集電極電流IC與基極發(fā)射極電壓VBE關系如下:

.

(1)

其中,VT=kT/q為熱電壓(k為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K),IS表示反向飽和電流。

IS(T)=D·T4-n·exp(-VGO/VT).

(2)

其中,D為與溫度無關常數(shù)。

假設集電極電流IC與溫度的關系為:

IC(T)=E·Tδ.

(3)

當集電極電流與溫度無關時δ取0,當與T成正比時δ=1,E為常數(shù)。把公式(2)、(3)帶入公式(1)得:

(4)

(5)

把公式(5)帶回公式(4)得到晶體管的基極發(fā)射極電壓:

(6)

上式即是BJT晶體管基極發(fā)射極電壓的溫度特性函數(shù),第一項為常數(shù)項,第二項具有線性負溫度系數(shù),第三項具有非線性負溫度系數(shù),其中(4-n)取值范圍3.6～4[3]。帶隙基準電壓源是在VBE的基礎上疊加正溫度系數(shù)電壓來消除VBE隨溫度變化產(chǎn)生的波動。僅對線性項進行抵消為一階曲率補償,若需更高精度的基準電壓應當對非線性項進行補償即高階曲率補償。

2 高階曲率補償方法

2.1 PTAT電路

圖1為產(chǎn)生PTAT電流原理圖,由運放、核心電路和啟動電路組成。Q1和Q2為PNP型晶體管,Q1的橫截面積為Q2的N倍。MOS管M1、M4和MP3組成啟動電路。MOS管M2、M3、M5、MP1和MP6組成運算放大器,與MP2管構成負反饋來維持正負輸入端即A點和B點電壓的穩(wěn)定。

圖1 PTAT電流電路

2.2 傳統(tǒng)帶隙基準源

圖2 傳統(tǒng)帶隙基準電壓源

2.3 高階補償電路

進一步減弱基準電壓的溫度效應需對公式(6)中的VT·lnT項進行抵消即高階曲率補償。本文設計了一種新穎的補償電路可實現(xiàn)對VT·lnT項的完全抵消。圖3 為高階曲率補償電路。

圖3 高階曲率補償電路

圖3中MP1和MP2為電流鏡,從圖1的PTAT電路中鏡像生成與絕對溫度成正比的電流Ip,MP5從圖2的傳統(tǒng)帶隙基準源電路中鏡像生成一階曲率補償?shù)幕鶞孰娏鱅r。MP2的Ip電流通過NPN晶體管Q1,該晶體管的基極發(fā)射極電壓加在電阻Rp上生成一個負溫度系數(shù)電流Ia;一階補償?shù)幕鶞孰娏魍ㄟ^Q2管,在電阻Rr上生成另一個負溫度系數(shù)電流Ib。MOS管MP4的電流為鏡像電流Ia,根據(jù)基爾霍夫電流定律可知,流過電阻R2的電流為Ic=Ia-Ib。電阻R1上疊加經(jīng)MP1鏡像的正溫度系數(shù)電流Ip。輸出端得到的基準電壓為:

(7)

因Q1集電極電流為PTAT特性,所以用公式(6)表示的VBE1公式中δ=1。Q2管集電極電流與溫度無關,所以VBE2公式中δ=0。把式(7)中的VBE1和VBE2用公式(6)替換得到:

(8)

3 討論

要得到上述公式,在電路中需滿足Q1管和Q2管的橫截面相同,鏡像電流Ip和Ir在參考點溫度To時大小需盡量一致,可根據(jù)公式(1)得到VEB1(To)=VEB2(To)。

(9)

本文提出的這種新穎的高階曲率補償電路可實現(xiàn)基準電壓中溫度非線性效應的完全消除。參考文獻[2]中采用一個與絕對溫度的平方成比例的電壓(V∝T2)來抵消VBE中與T·lnT相關的非線性項。參考文獻[3]中生成的非線性項也無法與晶體管VBE電壓中的高階分量完全抵消。參考文獻[4]根據(jù)NPN晶體管的正向偏置電流增益與溫度成指數(shù)關系這一性質(β∝e-1/T),來抵消晶體管電壓中的非線性分量。參考文獻[5]采用分段補償技術,低溫段進行線性補償,高溫段采用高階曲率補償。文獻中介紹的方法都不能實現(xiàn)VBE晶體管電壓中非線性分量的完全抵消,本文提出的電路結構優(yōu)于文獻中介紹的方法。