一种新型的高精度带隙基准电压源

摘要：介绍了一种采用凹凸曲线补偿技术实现高精度基准电压源的设计方案。

基于SMIC18工艺，利用寄生PNP管的有限增益以及放大系数的非线性，分别得到凹、凸两种温度曲线，从而实现输出电压的高阶温度补偿。仿真结果表明，在-40～85℃的温度范围内，其温度系数可达2.44ppm/℃。

关键词：电压源、寄生PNP、放大系数、凹凸曲线补偿技术

1 引言

随着集成电路工艺的发展，基准电压源广泛应用于 A / D，D / A 转换器、数据采集系统、电压调节器以及各种测量设备，其精度和稳定性直接决定了整个系统的精度。

本文提出了一种新型的带隙基准电压源设计方法。在基本的电路结构基础上，利用寄生PNP管放大系数的非线性，通过凹凸曲线的相互补偿，可以有效降低输出电压的温度系数，提高基准电压的稳定性。

2 电路的分析与实现

2.1 基本原理

在CMOS N 阱工艺中，寄生PNP管的发射极－基极电压VEB呈负温度系数；而两个双极型晶体管工作在不同的电流密度时,它们的发射极-基极电压之差VEB正比于绝对温度，呈正温度特性。因此，在传统的带隙基准电压源结构中，如图1所示，电路中双极型晶体管构成了电路的核心部分，它由标准CMOS N阱工艺中的寄生PNP管来实现。为了实现零温度系数，电路利用VEB和VEB实现温度补偿，即：

VREFVEBKVEB (1)

将（1）式对温度T微分,并代入VEB和VEB的温度系数,即可求得合适的K 值。理论上VREF的温度系数可以为0，并且VREF几乎不受电源电压变化的影响。然而在实际的CMOS工艺中，VEB和VEB的温度系数并不恒定，VEB与温度的关系可以近似表达为：

VEBVG0VTlnEGVTlnT (2) 其中E、G和均是与温度无关的参数，则与PNP管集电极电流的温度系数有关。由（2）式可以看出，VEB与温度的关系并不是理想的负比例关系。

如果两个同样的晶体管（IS1IS2）偏置的发射极电流分别为nI0和I0，那

么

VEBVEB1VEB2VTln于是得到： VEBIC1IVTlnC2 （3） IS1IS2121112VTlnn1VTlnn11 （4）

121由（4）式可以看出，VBE与温度也不是理想的正比例关系，而是要考虑BJT管放大系数的影响；所以，传统结构的带隙基准源的温度特性受到具体工艺参数等条件的制约，温度系数比较低。为了满足集成电路应用中对基准源越来越高的要求，必须采用高阶的温度补偿技术，得到高精度的带隙基准源。 2.2 一种新型的温度补偿技术

本文提出了一种新型的温度补偿技术，其主要原理如图2所示。首先采用一阶温度补偿分别得到上凸和下凹两种温度曲线，然后通过电流相加的方式得到最终的输出VREF,选择合适的a/b即可实现高阶补偿。

2.3 凹凸曲线的实现

寄生PNP管的放大系数并不是常数，它的值取决于晶体管的工作条件。从图3中可以明显看出，根据集电极电流IC的不同，PNP管的工作状态主要分为三个区。Ⅰ区为低电流区，随着IC的降低而减少；Ⅱ区为中电流区，近似为常数；Ⅲ区为高电流区，随IC的升高而减小。利用ICISexpVEBVT可以得到，当PNP管工作在Ⅰ区时，随着VBE的降低而减少；工作在Ⅱ区时，近似为常数；工作在Ⅲ区时，随VBE的升高而减小。

图1 传统的带隙基准电压源结构 图2 高阶的温度补偿技术

图3 晶体管中随IC变化的典型曲线

因此，在图1所示的电路中，当PNP管Q1、Q2工作在Ⅱ区时，VBE的变化对值基本没有影响，1的值与2的值近似相等，如图4所示。因此，（4）式可以简化为：

VEBVTlnn （5）

图4 Ⅱ区时1与2随温度的变化趋势

则输出基准电压

VREFVEBKVEBVEBKVTlnn （6） 所以，当PNP管工作在Ⅱ区时，VBE的非线性超过了VBE的非线性，占据主导地位。由参考文献【2】可知，此时输出基准电压的温度特性为上凸曲线。

当PNP管Q1、Q2工作在Ⅲ区时，VBE的微小变化都会引起值较大的变化；由于BJT管Q1、Q2的VBE之间存在着一个差值VBE，从而导致1与2之间变化很大，如图5所示。则输出基准电压

VREFVEBKVEBVEB121（7） KVTlnn11

1所以，当PNP管工作在Ⅲ区时，VBE的非线性超过了VBE的非线性，占据主导地位。此时输出基准电压的温度特性为下凹曲线。

图5 Ⅲ区时1与2随温度的变化趋势

2.4 电路的实现

基准电路的结构如图6所示，这种结构的优点在于通过调整补偿电阻的阻值，改变PNP管的工作状态，即可分别得到所需要的上凸和下凹两种温度曲线，结构十分简单，易于实现，而且基本不会受到工艺参数的影响。

整个电路结构主要由四个部分组成，第一部分包括MOS管 M1～M4、电阻R1～R3、寄生PNP管Q0～Q1和运算放大器OP1，其中电阻R1=R3=31K，R2=5K，使得Q0、Q1工作在Ⅱ区，从而产生上凸的温度曲线。第二部分包括MOS管 M5～M8、电阻R4～R6、寄生PNP管Q2～Q3和运算放大器OP2，其中电阻R1=R3=2.5K，R2=0.5K，使得Q2、Q3工作在Ⅲ区，从而产生下凸的温度曲线。第三部分由MOS管 M9～M12和电阻R7组成，其中MOS管 M9～M12实现了两种电流的求和；通过调节电阻R7的阻值大小，可以得到不同电位的输出基准电压。第四部分是电路的启动电路部分，主要由MOS管 MS1～MS3、电阻R0和电容C0组成。图7是运算放大器OP1、OP2的结构图，输入级采用PMOS差分对，取得较大的输入共模范围；第二级采用简单的共源放大器结构，增加运算放大器的增益并提供最大的输出摆幅。

图6 基准电压源的具体实现电路图

图7 低压运算放大器电路

3 仿真结果与结论

基于SMIC 0.18um CMOS工艺，对基准电压源电路进行了仿真和温度扫描分析。

图8(a)是电压源电源特性的仿真波形，图8(b)是温度仿真波形。在室温下,当电源电压处于1.5～2.1V时,基准电压源的输出电压为,说明输出电流具有良好的电源特性。当温度在-40～85℃范围内,输出电压仅变化0.3mV,温度系数为2.44ppm/℃，说明了输出电流具有很好的温度特性.

(b) 温度特性

图8 基准电压源的仿真曲线