一种高精度低温漂带隙基准源设计

    在模拟电路基本模块中，基准源是必不可少的基本模块。广泛应用于模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、低压差线性稳压器(LDO)、电压调节器、高精度比较器、电压检测器等模拟和数模混合集成电路中，其性能好坏直接影响着系统的性能稳定。
    在集成电路中，有3种常用的基准源：掩埋齐纳基准源、XFET基准源和带隙基准源。掩埋齐纳基准源和XFET基准源的输出温度稳定性良好，但制造流程都不能兼容标准CMOS工艺。而带隙基准源电路具有低温度系数、高电源抑制比、以及能与标准CMOS工艺相兼容等优点被广泛的研究与应用，它为系统提供一个与电源电压、工艺参数和温度其无关的直流电压或电流。

1 带隙基准原理
    带隙基准的基本原理就是将两个具有相反温度系数的电压以一个合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。假如V1和温度变化方向相同，也就是说具有正温度系数V2和温度的变化方向相反，具有负温度系数。以合适的权重将这两个电压相加，选取适当的a和b系数使其满足
   
    双极型晶体管具有以下两个特性：
    (1)双极型晶体管的基一射极电压VRE具有与绝对温度成反比的特性。
    (2)在不同集电极电流的情况下，两个双极型晶体管的基-射极电压差值△VRE与绝对温度成正比。
    将得到的正负温度系数的电压VRE和△VRE分别乘以一个合适的系数a和b，然后相加减
    VREF=aVRE+bVTlnn        (3)
    这样就可以得到—个与温度无关的零温度系数电压。

2 电路设计
2．1 带隙核心电路设计
    图1中，R2a=R2b=R2，而且是相同类型的电阻。高增益的运算放大器使电路工作在深度负反馈状态，假设VX=VY，那么流过电阻R2a和R2b的是与温度成反比的电流，而流过电阻R1的是与温度成正比的电流，这两个电流求和后，通过电流镜取出，最后在电阻R3上产生压降，即为基准输出电压。

    假设Q0和Q1的发射结面积之比为N，那么流过电阻R1的电流为

    由式(6)可知，可以通过改变R3／R2的比值来调整输出电压。    但由于共源极的电流镜对电源的抑制能力叫差，所以考虑采用共源共栅电流镜，其电路结构如图2所示。

2．2 运算放大器设计
    运放的性能指标对带隙基准性能具有重要的作用，在带隙基准中，运放的两个输入端所接电位是连接在三极管的基-射极电压，其变化较小，所以对运放的共模输入范围较小。带隙基准要求运放有较高的增益，一般的单级运放达不到高增益要求，而共源共栅结构的运放不适用于低压系统，所以选择基本两级运放结构。由于三极管的基射极电压VEB在0．8 V以下，所以选择PMOS差分输入结构。如图3所示，这个两级运放的增益为
    Av=Av1Av2=gm2(ro2∥ro4)*gm6(ro5∥ro6)         (7)
2．3 启动电路设计
    在电路中，会有一个以上的稳定工作点，一个是正常工作点，一个是零工作点。在零工作点，晶体管截止，电流为零。启动电路是为防止电路上电后出现没有电流的稳定状态而设计的。启动电路设计应包含以下3点：(1)能快速产生偏置电流，使电路稳定在正常工作点。(2)在主体电路进入稳定工作状态后，启动电路能自动关闭。(3)启动电路不能影响带隙基准的性能。

    图4为设计中的启动电路，A点接运放的输入点；C点接运放的输出点。其工作原理如下：假设在上电以后，整个电路不工作，此时，M1管的栅极A点为低电平，从而M1开启，将M3的栅极上拉为高电平，M3导通，将C点电位拉为低电平，从而整个电路开始正常工作，同时启动电路关闭。
2．4 高阶温度补偿
    图2中的带隙基准电路仅对VBE温度系数的线性部分进行了补偿，由仿真结果看出，一阶补偿的带隙基准温度系数约为20×10-6／℃，要想获得更低的温度系数，就需要对此电路进行高阶补偿。
    图5中，利用VBE线性化法对电路进行高阶补偿。

    在图5中，加入了两个电阻R4，流过电阻R4的电流与非线性电压VNL成正比，可以通过抵消流过PMOS电流镜总电流I1+I2中的非线性成分，得到与温度二次不相关的电流，从而得到与温度二次不相关的电压。

3 仿真结果
    对带隙基准进行直流仿真，基准输出电压随电源电压变化的特性曲线如图6所示。图6所示，电路在电源电压高于1．5 V时正常工作，输出稳定约在0．6 V。电源电压从1．5～3．3 V的变化范围内，基准输出电压的变化为0．42 mV，相对变化率为0．23 mV／V，说明电路在较宽的电源电压范围内保持稳定的输出。

    图1中低频时的电源电压抑制比为-58.79 dB，其特性曲线如图7所示。    采用共源共栅电流镜后，低频处-72 dB，仿真结果如图8所示，采用共源共栅电流镜能取得较好的电源抑制能力。这是由于共源共栅电流镜能镜像更加精准的电流。

    在-40～125℃的温度范围内进行直流扫描，测得一阶温度补偿带隙基准输出电压的温度系数为26×10-6／℃，温度特性曲线如图9所示。

    二阶补偿后温度特性曲线如图10所示，在-40～125℃温度范围内温度系数达到10×10-6，通过二阶补偿，温度系数得到较大的提高。但这种电路结构电阻比值的改动，对整个电路的影响较大，对电阻比值的精确度要求较高，在版图设计时需要添加大量的电阻阵列，以便进行微调。

4 结束语
    在讨论了带隙基准电压源的基本原理后，设计了一种高精度低温漂的带隙基准电压源。整个电路基于TSMC40 nm CMOS工艺模型进行了温度特性、电源特性的仿真。结果表明，经过二阶补偿后的带隙基准输出电压在温度为-40～125℃的范围内具有10×10-6／℃的温度系数，在电源电压为1．5～3．3 V变化时，基准输出电压变化仅为随电源电压变化仅为0．42 mV，变化率为0．23 mv／V，采用共源共栅电流镜后，带隙基准在低频下的电源电压抑制比为72 dB。