文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2015)03-0051-04
0 引言
近年來，隨著電子產品特別是智能電子產品硬件的不斷普及，對芯片的功耗和性能提出了越來越苛刻的要求[1]。
基準源（簡稱基準）是模擬芯片所必不可少的基本部件,它為電路提供高質量、高穩定性的電流和電壓偏置,而且它的性能會直接影響到電路的性能[2]。傳統基準存在精度低、溫漂大、功耗高和失調電壓高等缺點[3-4]。本文基于傳統基準提出了一種低功耗基準，以期克服這些缺點。
1 帶隙基準的基本原理分析
對于一個雙極型晶體管（BJT）的基極-發射極電壓（VBE），更一般的是pn結二極管的正向電壓，具有負溫度系數[5]。BJT的VBE、集電極電流IC和飽和電流IS有以下關系：
![EL7L$4QD]U15}B@G]93WPDY.png](http://files.chinaaet.com/images/2015/06/30/6357130042593200003766912.png "EL7L$4QD]U15}B@G]93WPDY.png")
其中，k為玻爾茲曼常數，T表示熱力學溫度，q為電荷，少數載流子的遷移率，ni為硅的本征載流子濃度[6]。
兩個雙極型晶體管工作在不同的電流密度下，它們之間的基極-發射極電壓之差(ΔVBE)具有正溫度系數[7]。將以上兩個具有相反溫度系數的變量加以適當的權重，就可以得到滿意的零溫度系數基準[8]。圖1是傳統的帶隙基準電路，這里，運算放大器AV以VX和VY為輸入，AV輸出用于驅動R1和R2(R1=R2)的頂端，使得X點和Y點穩定在近似相等的電壓。基準電壓可以在運算放大器的輸出端得到(不是Y點)[9]。三極管基極-發射極電壓VBE具有負溫度系數。三極管Q2和Q1發射極有效面積比例為n:1，流過兩者的飽和電流和集電極電流存在以下關系：
IS1=n·IS2 IC1=IC2(3)
三極管Q2和Q1的基極-發射極電壓之差：
ΔVBE=VBE1-VBE2=VT lnn(4)
ΔVBE作用在電阻R3上，產生PTAT電流，使得R1上產生PTAT電壓[10]，此電壓和VBE相疊加，得到輸出電壓：
VT具有正溫度系數，通過調節R2、R3和三極管面積比例得到零溫度系數電壓，實際電路中基準電壓溫度系數是一個開口向下的曲線。VBE具有高階的溫度分量，所以需要對VBE進行高階補償。
針對傳統帶隙基準啟動失調電壓大、精度低的特點，本文提出了具有低功耗高精度的電壓基準。電路由兩個部分組成，分別為啟動偏置電路、基準核心電路（基準電壓產生和補償結構、基準運放），實際原理圖如圖2所示。
2 新型帶隙基準電壓源設計
2.1 啟動電路和PTAT偏置電路
為了擺脫電源上電時電路的簡并偏置點，啟動電路是不可缺少的。本設計中啟動電路由R2、C1、NM0、NM1、NM4組成。電路正常上電時，VDD通過R2向電容C1充電，NM0的柵極電壓升高，使NM0和NM4導通，PM1、PM4的柵極電壓拉低，偏置電路源開始正常工作；隨著NM2柵電壓逐漸升高，NM1導通，NM0和NM4柵極電壓被拉低，NM0和NM4截止，此時關閉啟動電路。
偏置電路為整個電路提供一個與電源無關的PTAT偏置電流。如圖2，偏置電路是由PM1、PM2、PM3、PM4、NM2、NM3和R1構成的自偏置峰值電流源。PM1~PM4的寬長比相同，構成了Cascode電流鏡，形成自偏置機制，同時增加整體電路的電源抑制比。利用NM2和NM3工作在亞閾值區域時的柵源電壓之差作用在電阻R1產生正溫度系數的電流。在亞閾值區域時，MOS管漏電流ID為：
式中k為亞閾值斜率修正因子，VTH為MOS管閾值電壓[11]。漏源電壓VGS遠大于VT，式(6)可簡化為：
可以推導出PTAT偏置電流為：
式中m為NM3和NM2寬長比之比。從式(8)可以看出，VT具有正溫度系數，所得偏置電流與溫度成正比和電源電壓無關。
2.2 帶隙基準核心電路
本文設計的基準產生電路由Q1、Q2、R3~R6、PM12和PM13組成。Q2和Q1的有效發射極面積之比為n:1，電阻R4和R5的阻值相等。根據上文式(1)~(5)的推導，可以得出基準電壓Vref的表達式：
晶體管的VBE并不是與溫度呈線性關系：
式中，VBG0是帶隙電壓，約為1.12 V；T是絕對溫度；T0是參考溫度；VBE0是在溫度為T0時的發射結電壓；?濁是與工藝有關且與溫度無關的常數；的值與集電極電流的溫度特性有關。調節三極管和電阻選取的大小，能很好地對式(10)中的第一項進行補償。為了得到更低的溫度系數，必須對式(10)中的第二項進行補償。
本設計提出了一種簡單且效果明顯的補償方式，利用NMOS管工作在亞閾值區域時漏電流和柵極電壓的指數特性，對基準電壓進行二階曲率補償。補償電路由NM8、R7、R8、PM14、PM15組成，補償基準在高溫下的溫度特性曲線。PM14和PM15鏡像PTAT電流，作用在電阻R7上，產生PTAT電壓，該電壓使NM8工作在亞閾值狀態，隨著溫度的增加，補償電流逐漸增大。由式(6)和式(7)，可得：
忽略R8上的壓降，補償電流：
式中是PM14和PM15的鏡像比例因子。加上二階曲率補償電流后，式(9)可改寫為：
運算放大器由PM5~PM11、NM5~NM7和C2組成。本設計采用兩級運放結構，具有較大的開環增益。同時運用PM11輸出跟隨器，減小輸出電阻。為了減小運放的失調電壓，加大了PM9和PM10的寬長比，并保證了一級運放和二級運放之間的對稱性。電容C1作為補償電容，得到一個低頻極點，增加電路的穩定性。
3 仿真結果
本文設計電路采用UMC 0.25 μm BCD工藝模型，電路中n=8，m=2。利用Hspice仿真軟件，對電路進行了仿真。
在TT工藝角下。溫度為25 ℃時，基準電壓線性調整率如圖3所示。仿真結果表明，基準電壓的典型值為1.203 V。供電電壓VDD在2.5 V~5.5 V范圍內，基準電壓變化了53 μV，線性調整率為0.001 8%。供電電壓VDD為5 V，在-40 ℃~130 ℃的溫度范圍內，基準電壓的溫度特性仿真結果如圖4所示。仿真結果表明，基準電壓的平均值為1.203 V，基準電壓的波動范圍為175 μV，溫度系數為0.86×10-6/℃。
如圖5為電源電壓VDD為5 V，溫度為25 ℃，在三種工藝角下的電源抑制比(PSRR)仿真結果，在三種工藝角下低頻PSRR都小于-95 dB，具有很好的電源抑制能力。圖6為瞬態仿真下的電流功耗大小，從仿真結果可以看出，電路的靜態電流功耗為3.16 μA。
表1為本文和文獻[2]、[8]和[9]的性能參數比較。本文提出的結構具有明顯優勢。
4 結論
提出了一種基于傳統結構的低功耗、高精度的帶隙基準電壓源。本設計采用Cascode結構來提高整體電路的電源抑制比。通過增加運放輸入差分對管的尺寸，添加輸出緩沖級結構以及保證運放的對稱性來減小失調電壓。并運用二階曲率補償來對基準電壓進行溫度補償。采用UMC 0.25 μm BCD 工藝，仿真結果表明，基準電壓源在2.5 V~5 V的電壓范圍內提供1.203 V的基準電壓，線性調整率為0.001 8%，靜態功耗只有3.16 μA，在-40 ℃~130 ℃溫度范圍內的溫度系數為0.86 ppm，低頻電源抑制比為-95 dB。
參考文獻
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