陳 濤，胡利志，喬 明

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

一種低壓分段線性曲率校正CMOS帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計

陳 濤，胡利志，喬 明

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 610054）

在傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計與熱力學(xué)溫度成正比的電流（IPTAT）及與熱力學(xué)溫度呈互補關(guān)系的電流（ICTAT），實現(xiàn)節(jié)點電流相減，從而產(chǎn)生分段線性電流作為基準(zhǔn)源的曲率校正分量，設(shè)計了一個性能更佳的曲率校正帶隙基準(zhǔn)。電路采用低壓運放及低壓PTAT電流產(chǎn)生模塊，工作電壓低。Cadence仿真結(jié)果顯示，在-40~125 ℃溫度范圍內(nèi)，平均溫度系數(shù)大約3×10-6℃-1，最低工作電壓在1 V左右，可用于低電源電壓、高精度的集成芯片。

帶隙基準(zhǔn)；曲率校正；溫度系數(shù)

1 引言

基準(zhǔn)源在各種電路系統(tǒng)中均扮演著重要的角色，為其他子電路提供穩(wěn)定的工作點，它的輸出信號不隨電源電壓、溫度和瞬態(tài)負(fù)載的變化而有顯著的波動[1]。在眾多的基準(zhǔn)源中，帶隙基準(zhǔn)源因其高精度、低噪聲、高電源抑制比、低工作電壓等優(yōu)點而受到人們的青睞。

隨著片上系統(tǒng)（SOC）的不斷發(fā)展與電路集成度的不斷提高，以及電池供電便攜式設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)無論是從工作電壓還是精度上都越來越難滿足日益復(fù)雜的系統(tǒng)需求。針對以上問題，本文設(shè)計了一款具有低電源電壓、高精度的帶隙基準(zhǔn)源。基于CMOS工藝，在傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用低壓運算放大器，應(yīng)用MOS管的亞閾值特性及三極管VBE的負(fù)溫度特性引入分段線性電流，實現(xiàn)了帶隙基準(zhǔn)的曲率校正，得到工作電壓低至1 V、溫度系數(shù)低于3×10-6℃-1的CMOS帶隙基準(zhǔn)源。

2 帶隙基準(zhǔn)原理與低壓帶隙基準(zhǔn)

2.1 帶隙基準(zhǔn)原理

帶隙基準(zhǔn)設(shè)計的第一步是找到已被良好表征且?guī)缀醪浑S工藝波動而改變的電壓或電流值。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)利用pn結(jié)二極管正向電壓（雙極型晶體管的VBE）和工作在不同電流密度下的雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的差值ΔVBE實現(xiàn)。VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，ΔVBE具有正溫度系數(shù)，將這兩個具有相反溫度系數(shù)的電壓按一定的權(quán)重相加，就得到一個零溫度系數(shù)的電壓[2]，即：

此時有：

傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)由于VBE自身大小及正、負(fù)溫度系數(shù)相差較大等因素的限制，相加后得到的基準(zhǔn)電壓在1.21 V左右，很難實現(xiàn)低電壓的基準(zhǔn)值。同時由于VBE的溫度特性非線性，由式（2）得到的基準(zhǔn)電壓的溫度特性曲線如圖1所示，通常為一條上凸的曲線，被稱作一階帶隙基準(zhǔn)源。

圖1 一階帶隙基準(zhǔn)的溫度特性

2.2 傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)

圖2是BanBa等人提出的低壓CMOS帶隙基準(zhǔn)源[3]，圖中的二極管為基極-集電極短接的PNP三極管。M1~M3具有相同的寬長比，因此有I1=I2=I3，運放鉗位作用使得X、Y點電壓相等，電阻R1、R2具有相同阻值，因而流過電阻R1與R2的電流相等，即I1a=I2a，且I1a=VBE/R。又因為I1b=I2b，而I2b=ΔVBE/R3=VTlnn/R3，其中n為三極管的發(fā)射極面積比。綜上所述可得：

合理設(shè)置R1、R3與n的值，可以得到零溫度系數(shù)的電流，通過M3的鏡像作用有：

得到的VREF為一階線性補償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。

圖2 傳統(tǒng)低壓CMOS帶隙基準(zhǔn)

3 曲率校正CMOS帶隙基準(zhǔn)源

3.1 基極-發(fā)射極電壓的溫度特性

雙極型晶體管的基極發(fā)射極電壓VBE在大量的文獻(xiàn)中得到詳細(xì)的推導(dǎo)，其中一個較常用的表達(dá)式為[4,5]：

式中，Vg0表示二極管電壓在絕對0度時的值；T表示熱力學(xué)溫度；Tr表示某一基準(zhǔn)溫度；[η-a]為與工藝相關(guān)的常數(shù)。將上式中的對數(shù)部分進(jìn)行泰勒級數(shù)展開并整理，可得到VBE的表達(dá)式為：

其中B和C是與溫度無關(guān)的常數(shù)；f（T）代表溫度T的所有高階分量。

一階帶隙基準(zhǔn)抵消了電壓的線性溫度分量，曲率校正帶隙基準(zhǔn)的目的是補償帶隙基準(zhǔn)的非線性分量。實現(xiàn)曲率校正的方法有很多種，其中包括PTAT2曲率校正技術(shù)[6]、與溫度相關(guān)電阻比例技術(shù)[7]、二極管環(huán)路技術(shù)[8]、精確抵消技術(shù)[9]和分段線性補償技術(shù)[10]等。

3.2 分段線性曲率校正理論

本文中使用的分段線性曲率校正方法基于文獻(xiàn)[10]中Rincon-Mora提出的理論，如圖3左所示，M1為非理想電流源，流過的電流溫度特性與熱力學(xué)溫度呈互補關(guān)系。在溫度范圍的低溫段，ICTAT＞IPTAT，流過電流源的電流由M1足以提供，因此M2關(guān)斷；而在溫度范圍的高溫段，ICTAT＜IPTAT，強(qiáng)制M2開啟并提供這兩個電流的差值，通過M3的鏡像作用，可得到INL的值為：

式中K1、K2為常數(shù)。

圖3 分段線性曲率校正技術(shù)

3.3 分段線性曲率校正電路

本文中設(shè)計的分段曲率校正電路如圖4所示，M1~M4和R1構(gòu)成低電源電壓IPTAT產(chǎn)生電路，M1、M2工作在亞閾值區(qū)，具有三極管VBE相似的溫度系數(shù)，R1上的電壓為M1與M2柵源電壓的差值，類似于ΔVBE，具有與熱力學(xué)溫度成正比的溫度特性，流過R1電流為：

其中β1、β2分別表示M1與M2跨導(dǎo)因子和寬長比的乘積。從式（6）中可以看出，IR1的大小由β1、β2以及R1的阻值共同決定，而其溫度特性與VT一致，即與熱力學(xué)溫度成正比。

圖4 分段線性曲率校正電路

圖4中剩余部分是圖3左的具體電路實現(xiàn)，M5鏡像PTAT電流，R2上流過的電流為：

其中VBE為三極管Q1的基極-發(fā)射極電壓，忽略三極管Q1的基極電流，流過晶體管M6的電流具有負(fù)的溫度特性，即ICTAT。在設(shè)計時應(yīng)滿足在整個溫度范圍內(nèi)IM5>IR2，以保證Q1工作在正向偏置區(qū)。M10中流過的電流為IPTAT，M7鏡像M6的電流并與M10中的電流進(jìn)行比較，當(dāng)IM7>IM10時，M7工作在線性區(qū)并且滿足IM7=IM10，此時M8處于截止?fàn)顟B(tài)。而隨著溫度的升高，M7的電流逐漸減小而M10電流逐漸增大，當(dāng)IM7

其中S8、S9分別表示晶體管M8與M9的寬長比。

3.4 整體電路

本文中設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)整體電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，電路的前半部分是前文分析的分段線性曲率校正電路，后半部分為傳統(tǒng)的一階低壓帶隙基準(zhǔn)，最后得到的基準(zhǔn)電壓為VREF。為了保證整體電路能夠工作在較低電源電壓下，一階帶隙基準(zhǔn)中的運放使用了低壓運算放大器，運放電路如圖6所示，它只需要電源電壓大于晶體管的閾值電壓即可正常工作[11]。本文中帶隙基準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓值為：

圖5 整體電路

圖6 低壓運放

4 仿真與分析

分段線性曲率校正電流的仿真結(jié)果如圖7所示，圖中分別顯示了ICATA、IPTAT和INL的波形，與前文分析一致，當(dāng)溫度小于50 ℃時，ICATA>IPTAT，此時INL=0，而當(dāng)溫度大于50 ℃時，ICATA

輸出電壓VREF隨溫度變化的仿真結(jié)果曲線如圖8所示，仿真時電源電壓VCC為1.8 V，溫度范圍為-40~125 ℃，從圖中可以看到，當(dāng)溫度小于50 ℃時，由于INL并未起作用，溫度特性曲線與一階帶隙基準(zhǔn)溫度特性一致，隨著高溫段分段線性曲率校正電流的引入，VBE的非線性分量得到了補償。在整個溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的平均溫度系數(shù)低于3×10-6℃-1。

圖7 分段線性曲率校正電流

圖8 VREF溫度特性

圖9是電路的工作電壓仿真圖，從圖中可以看到，電路在0.8 V即可正常工作，工作電壓大于1 V時，基準(zhǔn)電壓值穩(wěn)定在594 mV。

圖9 工作電壓仿真圖

5 結(jié)束語

在傳統(tǒng)低壓帶隙基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，本文通過引入分段線性曲率校正電流分量對一階帶隙基準(zhǔn)進(jìn)行補償，獲得了精度高、工作電壓低的曲率校正帶隙基準(zhǔn)。Cadence中仿真結(jié)果顯示：1.8 V工作電壓下，-40~125 ℃溫度范圍內(nèi)基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)小于3×10-6℃-1。電路使用了低壓IPTAT產(chǎn)生電路以及低壓運放，因此整體電路的工作電壓很低，DC分析顯示電路的最低工作電壓約1 V。適用于工作電壓低、基準(zhǔn)電壓精度要求高的集成電路芯片。

[1] Gabriel A R. Voltage references from diodes to precision high-order bandgap circuits [M]. 北京：科學(xué)出版社, 2013. 1-5.

[2] Behzad Razavi. 模擬CMOS集成電路設(shè)計[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社, 2002. 314-319.

[3] BANBA H, SHIGA H, UMEZAWA A, et al. A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-v operation [J]. Journal of Solid State Circuits, 1999, 34（5）: 670-674.

[4] TSIVIDIS Y P. Accurate analysis of temperature effects in Ic-Vbe characteristics with application to bandgap reference sources [J]. Journal of Solid State Circuits, 1980, 15（6）: 1076-1084.

[5] MEIJER G M. A new curvature-corrected bandgap reference [J]. Journal of Solid State Circuits, 1982, 17（6）: 1139-1143.

[6] Gray P. advanced analog integrated circuits [Z]. Lecture notes and diagrams from the University of California at Berkeley.

[7] Leung C Y, Leung K N, Mok K T. Design of a 1.5 V high order curvature-compensated CMOS bandgap reference [J]. Circuits and Systems, 2004, 1: 48-52.

[8] Gunawan M. A curvature-corrected low-voltage bandgap reference [J]. Journal of Solid State Circuits, 1993, 28（6）: 667-670.

[9] Meijer G M. A new curvature-corrected bandgap reference [J]. Journal of Solid State Circuits, 1982, SC-17（6）: 1139-1143.

[10] Rincon Mora G A, Allen P E. A 1.1 V current-mode and piecewise-linear curvature-corrected bandgap reference [J]. Journal of Solid State Circuits, 1998, 33（10）: 1551-1554.

[11] Allen P E, Holberg D R. CMOS模擬集成電路設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2005. 348-351.

Design of a Low Supply Piecewise Curvature Corrected CMOS Bandgap Reference

CHEN Tao, HU Lizhi, QIAO Ming

（State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Device,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China）

Based on the traditional low supply voltage bandgap reference, by designing current proportional to absolute temperature（IPTAT）and current complementary to absolute temperature（ICTAT）which are subtracted from one another, a piecewise linear current is achieved and used as the curvature correction component. Thus, a better performance curvature corrected bandgap reference is proposed. The circuits use low-voltage amplif i er and low-voltage IPTAT generator, so the operation voltage is low. Simulation results with Cadence indicate that the bandgap reference has an average temperature coeff i cient of 3×10-6℃-1within a temperature range between -40~125 ℃centigrade, and the power supply is as low as 1 V, the circuits can be used in low power supply and high-precision SOCs.

bandgap reference; curvature correction; temperature coeff i cient

TN432

A

1681-1070（2014）09-0036-04

陳 濤（1988—），男，四川南充人，碩士研究生，主要研究方向為模擬集成電路設(shè)計。

2014-05-08