一种高精度的CMOS带隙电压基准

一种高精度的CMOS带隙电压基准
作者：高菊周玮
来源：《现代电子技术》2010年第02期
摘要:介绍一种采用二阶补偿技术的带隙电压基准电路。

基于一阶曲率补偿的带隙电压基准,利用晶体管基极_发射极电压Vbe与温度T的非线性关系,通过PTAT2电路补偿Vbe的二阶项,从而改善了基准电压的温度特性。

Cadence软件仿真结果表明,工作电压为5 V,在-35～
+110 ℃的温度范围内,其温度系数可达2.89 ppm/℃。

关键词:带隙电压基准;二阶曲率补偿;温度系数;Cadence
中图分类号:TN710文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)02-012-03
High Precision CMOS Bandgap Voltage Reference
GAO Ju1,2,ZHOU Wei2,3
(1.Chongqing University,Chongqing,400065,China;2.National Laboratory of Analog Integrated Circuits,No.24 Research Institute,CETC,Chongqing,400060,China;
3.Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065,China)
Abstract:A high_precision bandgap reference circuit with high_order compensation technique is presented.Based on the BGR with first_order curvature compensation and using base_emitter voltage Vbes nonlinear dependence of temperature T,the temperature performance of the voltage reference has been enhanced by offsetting the high_order term in Vbewith a PTAT2 term.Simulation result shows that single power supply is 5 V,the temperature coefficient is 2.89 ppm/℃ over the range of -35～
+110 ℃.
Keywords:bandgap voltage reference;second_order curvature compensation;temperature coefficient;Cadence
0 引言
集成电路的飞速发展,使得电压基准被广泛用于ADC,DAC,LDO等模拟或混合电路中。

带隙电压基准的温度特性、PSRR、精度等会影响到ADC和DAC的转换精度,甚至影响到整个电路和系统的性能。

随着数据转换精度的不断提高,一阶曲率补偿带隙电压基准的温度系数很难满足电路应用的要求。

为提高输出带隙电压基准的精度,国内外众多学者对带隙基准的高阶曲率补偿进行了研究,且补偿方式众多,如电流相减补偿法[1],电压叠加补偿法[2],利用不同质电阻上电压的叠加实现温度系数的曲率补偿[3],阶段性电流模式补偿[4]等,可获得最好的温度系数达到几个 ppm/℃。

只是这些曲率补偿的方法需要采用特殊工艺的电阻等对设计或工艺有其他的要求。

而对于标准CMOS工艺,有可能无法实现。

本文基于一阶曲率补偿带隙电压基准,设计一种二阶曲率补偿的带隙基准,并简要地介绍了其工作原理。

1 电路结构及原理分析
1.1 二阶补偿原理
传统的带隙电压基准是通过双极晶体管的基极_发射极电压Vbe的负温度特性和PTAT电流的正温度特性,以适当的权重相加,从而得到具有良好温度特性的电压。

但是Vbe与温度的关系不是完全线性的,在Vbe的泰勒展开式中存在着较多的高阶项[5],因此采用额外的电路来产生PTAT2抵消二阶项,实现二阶温度曲率补偿。

图1为二阶补偿的带隙基准温度特性曲线,它简单地描述了二阶温度补偿的原理。

双极型晶体管基极_发射极电压Vbe的温度特性可以描述为:
-BT-Cf(T)(1)
式中是外推到0 K时硅的带隙电压;B,C是与温度无关的常数;T是绝对温度;f(T)表示温度的高阶分量。

设计基准电路使得
并且即可实现高阶的温度补偿,使得带隙电压基准输出电压接近硅的带隙电压。

运用此补偿技术,其基准电压的输出表达式为:
图1 二阶补偿的带隙基准温度特性曲线
1.2 二阶补偿电路
图2为一种基于传统的带隙基准结构的二阶补偿电路。

图2 二阶补偿电路
晶体管的发射极被运算放大器箝位,由此形成带隙基准电路,其基准输出表达式为:
图3为PTAT2电流的产生电路,该电路利用MOS管工作在亚阈值区产生PTAT2电流。

工作在饱和区工作在亚阈值区。

图3 PTAT2电流产生电路
根据KVL定律:
1.3 电路实现
运算放大器如图4所示。

选用PMOS差分对管作为输入级,给定相同的偏置电流和宽长比,PMOS 管的跨导低,这有利于减小 PMOS沟道噪声和作有源负载,运算放大器的输出直接驱动。

图4 运算放大器
对运用于带隙电压基准的运放的要求有:增益高,高增益的运算放大器有利于提高电压基准的电源抑制比PSRR, 因此采用二级结构,有足够的相位裕度,从而保证差分放大器能够稳定的工作, 所以使用补偿电容对运算放大器进行相位补偿。

运放的输入失调电压反比于差分对管的宽长比,差分输入对管和的宽长比取尽可能大的值以减小运放的失调电压。

运放DC增益为81.6 dB,相位裕度为51°。

2 仿真结果分析
根据以上分析,运用Cadence软件,在工作电压为5 V,温度范围为-35～+110 ℃的条件下对电路进行了仿真。

图5和图6为带隙电压基准源补偿前后的温度特性仿真结果,从图5,图6中可以看出,温度从-35～+110 ℃变化时,补偿后的温度系数为2.89 ppm/℃,与传统的带隙电压基准的温度系数17.6 ppm/℃相比较,电路表现了良好的温度特性。

图5 传统带隙的温度特性
图6 二阶曲率补偿后的温度特性
3 结语
本文给出一种使用二阶补偿技术的高精度CMOS带隙电压基准电路的设计,该电路通过PTAT2电路补偿Vbe的二阶项,从而改善了基准电压的温度特性。

仿真结果表明,该电路在工作电压为5 V,温度范围为-35～+110 ℃,其温度系数为2.89 ppm/℃,温度特性有很大的改善。

参考文献
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[3]Doyle J,Young Jun Lee,Yong Bin.A CMOS Subbandgap Reference Circuit with 1 V Power Supply Voltage[J].IEEE Solid_state Circuit,2004,39(1):252_255.
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[9]Rincon_Mora G A,Allen P E.A Low Voltage,Low Quie_scent,Low Drop_out
Regulator[J].IEEE Solid_state Circuit,1998,33(1):36_43.
作者简介
高菊女,1984年出生,重庆人,硕士研究生。

主要研究方向为混合信号集成电路设计。

周玮男,1984年出生,内蒙古呼和浩特人,硕士研究生。

主要研究方向为混合信号集成电路设计。