带曲率补偿的带隙基准电流源的设计

带曲率补偿的带隙基准电流源的设计
摘要：简单介绍了带隙基准源的基本原理，给出了一款基于widlar结构的带曲率补偿的带隙基准电压电流源的设计方法，通过采用tsmc_0.5 μm工艺库对电路进行仿真，在-40～150 ℃的温度范围内，其带隙基准的输出具有12 ppm/℃的温度系数，电流基准的输出具有42 ppm/℃。

此外，文中还对曲率补偿电路的工作原理进行了分析，并且通过仿真波形对曲率补偿的工作机制进行了讨论。

关键词：widlar结构; 带隙基准; 电流基准; 曲率补偿
中图分类号：tn432 文献标识码：a
文章编号：2095-1302(2012)02-0064-04
band-gap current reference with curvature compensation
dai yun, yang xing
(college of micro-electronics and solid-state electronics, university of electronic science and technology of china, chengdu 610054, china)
abstract： the principle of band-gap voltage reference is introduced. a design method of band-gap voltage reference and current reference with curvature compensation based on widlar′s structure is proposed. the circuit is simulated with tsmc_0.5 μm model, in the temperature extent of -40～150 ℃, the output temperature coefficient of the band-gap
voltage reference is 12 ppm/℃, the output temperature coefficient of the current voltage reference is 42 ppm/℃. the theory of curvature compensation circuit is analyzed and the working mechanism of curvature compensation circuit is
discussed.
keywords： widlar structure; band-gap voltage reference; current reference; curvature compensation
0 引言
当今被普遍采用的数模混合电路芯片中，偏置电路起到了非常重要的作用。

随着芯片的工作，功耗产生的热量所导致芯片温度的变化是难以避免的［1］。

所以，为芯片提供偏置的基准电路应具有良好的输出电压电流精度和稳定的温度特性。

而在芯片的内部模块比如振荡器、延迟产生电路、运算放大器等电路中，往往需要一个几乎与温度无关的电流源来进行偏置，随之便产生了利用带隙基准电压来产生零温电流的电路结构。

本文提出了一种利用带隙基准电压产生的与温度无关的基准电流源电路，带隙基准电压产生电路没有运算放大器，结构简单，且能对基准电流实现曲率补偿，使基准电流
具有低的温度系数。

1 带隙基准电压源的原理
一个与温度无关的基准电压信号往往可以由一个具有负温度系数
的电压信号和一个具有正温度系数的电压信号以适当的权重相加
得到［2］。

对于温度系数相反的两个电压v1和v2，有：
启动电路的作用在于使带隙基准电路脱离简并点，让基准电路正常
上电工作。

如图1所示，m1、m3为二极管连接，随着v
cc的逐渐上升，由于r6的存在，m2的v gs逐渐变负，使得m2逐渐开启，r2上的电流逐渐增大，此时，m4开启，有电流流过m4对c1充电，为q2的基极提供一个大于2倍v be的电压。

随着v cc的进一步升高，m4被
关断，之后启动电路将不会影响基准电路，完成启动过程。

图1中间部分为带隙基准电压产生电路，r3=r4，且q
3并联n个。

q4与q12组成电流镜结构，且它们的发射极面积相等，即i s4=i s12，因此有i c4=i c12。

又q2并联两个，即i s2=2i s11，所以我们可以得到
i c2=2i c4，i c3=i c4。

q1的作用在于为带隙基准产生电路提供负反馈稳定回路［3］。

如图所示，q1将q3的集电极电压箝位至一个v be电压，负反馈回路使q3的集电极电流与q4的集电极电流相等［4］。

前面已经提到，v be为一个负温度系数的电压，v t为一个正温度系数的电压，所以，通过设置r5与r4的比例就可以得到一个零温度系数的带隙基准电压v ref。

本设计取r
3=r4=11r5， 1.25 v。

3 带曲率补偿的电流源的原理与分析
图1的右半部分所示为曲率补偿电路及电流基准电路，r6为一正温系数的p注入电阻，r7为一负温度系数很大的高阻多晶电阻。

q5的发射极电压近似与v ref相等，为一零温电压。

因r6的温度系数为正，故m7与m9支路上的电流都为负温度系数。

m8与m12镜像m6支路的ptat电流，表示为i ptat8和i ptat12。

i bias为输出的零温电流，v bias为零温电流的偏置电压。

假设m8与m9和m6的宽长比的比值分别为m与n，那么i ptat8与i ptat12分别可以表示为：
由于r5为正温度系数的p注入电阻，r7为负温度系数很大的高阻多晶电阻，v ber7呈现正温度系数。

所以通过设
置r5与r7的比例，就可以得到一个零温度系数的电流i bias。

但是由于bjt的v be的温度特性是非线性的，并不能通过式(15)对完全线性的i ptat12进行补偿。

这就使得我们必须加入一个曲率补偿电路来对i bias进行曲率补偿。

图1所示的曲率补偿电路属于非线性补偿方法。

在温度较低时，q6会打开，为q9注入一股负温度系数的电流来补偿v be的低温特性。

假设m9饱和时流过的电流为r6电流的m1倍，m11饱和时流过的电流为m6电流的m2倍，那么q6的电流i c6可以表示为i d9与i d11的差值。

如果m9的
饱和电流大于m11的饱和电流，m9与m11均饱和，并且它们的电流差值会通过q6流入q9支路，这个差值被用来进行曲率补偿［5］。

如果m11的饱和电流大于m9的饱和电流，则m11将被驱使进入线性区，q6则没有电流通过。

i c6可以表示为：
由仿真结果可知，本文所设计的带隙基准源在-40～150 ℃的温度系数仅为12 ppm/℃。

图3所示为电源电压为6 v，仿真温度范围为-40～150 ℃，仿真工艺角tt、ff、ss时的基准电流源的输出波形。

由仿真结果可计算得到，基准电流源在-40～150 ℃的温度范围内的温度系数为42 ppm/℃。

从图3中可以看出，在-40～15 ℃区间，曲线有一个上翘的波形，这是因为在这个温度范围内，q6开始有电流流过，这股电流会对i bias进行温度补偿，达到
了曲率补偿的目的，有效降低了i bias的温度系数。

图4所示为带隙基准电路的电源抑制比仿真波形图，从图4中可以看出，带隙基准源的电源抑制比最大可以达到62 db［6］。

图5所示为基准电压随着电源电压v cc变化时的波形图。

从图5中可以看出，刚开始时，基准电压随着v cc的上升而上升，当v cc大于2.8 v时，基准电压v ref稳定为1.25 v不变。

从以上各项仿真可以看出，基准电路的输出对电源电压和温度都不敏感。

5 结论
本文所提出的带曲率补偿的带隙基准电压电流源具有结构新颖、输出稳定等特点。

产生带隙基准电压的主电路采用了widlar结构，与通常所采用的运算放大器结构有所不同，电路得到了很大的简化。

由于负反馈环路的存在，使得基准的输出非常稳定。

通过仿真结果可以看出，后级所采用的曲率补偿电路，让v be对ptat 电流的补偿效果更好，能有效降低带隙基准电路的零温电流的温度系数。

参考文献
［1］辛新鹏,李冬梅,王志华.cmos带隙基准源研究现状［j］.微电子学,2008,38(1):57-63.
［2］毕查德拉扎维. 模拟cmos集成电路设计［m］.陈贵灿,程军,张瑞智,等,译.西安:西安交通大学出版社,2003.
［3］赵良,陈向东,苏长远,等.一种基于mems传感器基准电流源设计［j］.电源技术应用,2010,36(8):71-76.
［4］王永寿,吴金,郑丽霞,等.高精度cmos wildar多值电压带隙基准电路设计［j］.集成电路设计开发,2009,34(12):1244-1247. ［5］吴贵能,周玮,李儒章,等.通用二阶曲率补偿带隙基准电压源［j］.微电子学,2010,40(2):204-208.
［6］phillip e. allen, douglas r. holberg. cmos模拟集成电路设计［m］.2版.冯军,李智群,译.北京:电子工业出版社,2006.。