0 引言

    模擬集成電路在現(xiàn)代社會(huì)的經(jīng)濟(jì)、國防等領(lǐng)域扮演著重要作用，而電壓帶隙基準(zhǔn)源是現(xiàn)代模擬混合電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵模塊之一。隨著應(yīng)用要求的提高，需要基準(zhǔn)源有更高的精度，也就是在較寬的溫度范圍有更低的溫度系數(shù)。人們通過一階、二階、高階以及分段等方式進(jìn)行補(bǔ)償，來提高基準(zhǔn)源的精度^[1]。本文基于一階補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓輸出特性，設(shè)計(jì)一個(gè)高低溫分段補(bǔ)償電路，帶隙基準(zhǔn)源在寬的溫度范圍具有較低的溫度系數(shù)。同時(shí)，該補(bǔ)償方式還可以用于其他類似輸出特性的電路中，用以提高基準(zhǔn)精度。

1 分段補(bǔ)償?shù)脑?/strong>

    經(jīng)過正負(fù)溫度系數(shù)一階補(bǔ)償過后基準(zhǔn)源的溫度特性曲線大致為開口向上或者向下的拋物線，如圖1（a）所示。為了減少溫度系數(shù)，可以采用二階、三階、甚至高階曲率補(bǔ)償?shù)确绞絹硖岣呋鶞?zhǔn)的精度，但是，采用高階方式，會(huì)增加電路的復(fù)雜性，從而增加電路的面積、功耗等。而采用分段補(bǔ)償方式，也就是在低溫或者高溫段加入補(bǔ)償，減少輸出電壓的最大值與最小值的差值，從而減小溫度系數(shù)，如圖1（b）所示。根據(jù)輸出電壓的溫度特性曲線，在引入分段補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，要采用不同的方式。若輸出電壓的溫度特性曲線為開口向下，低溫段在輸出注入一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電流，高溫段在輸出注入一個(gè)正溫度系數(shù)的電流。若輸出電壓的溫度特性曲線中開口向上，低溫段在輸出端抽出一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電流，高溫段在輸出端抽出一個(gè)正溫度系數(shù)的電流^[2]。本文就是基于電流模結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)，根據(jù)輸出特性曲線，引入了一個(gè)分段補(bǔ)償電路，低溫段抽出了一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電流，高溫段抽出了一個(gè)正溫度系數(shù)的電流，提高了基準(zhǔn)輸出的精度。

2 電路的實(shí)現(xiàn)

    圖2是本文采用的具體電路。該電路由基準(zhǔn)核、分段補(bǔ)償電路、PSRR提高電路組成。根據(jù)傳統(tǒng)的基準(zhǔn)核電路輸出基準(zhǔn)電壓的特性，增加如圖2中所示分段補(bǔ)償電路，提高基準(zhǔn)電壓精度。同時(shí)，對(duì)電路以簡(jiǎn)單的改進(jìn)，提高基準(zhǔn)的電源抑制比。

2.1 分段補(bǔ)償電路

    由放大器2、晶體管Q₂、電阻R₅產(chǎn)生一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電流I_DSMP5，該電流鏡像到MP₄，通過電阻R₆產(chǎn)生一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電壓，由于MOS管MN₁的閾值電壓也具有負(fù)溫度系數(shù)，因此，需合理選擇R₆的阻值，以及MOS管MP₄、MN₁的寬長(zhǎng)比，以保證MOS管MN₁的V_GSN的負(fù)溫度系數(shù)大于MOS管MN₁的閾值電壓V_TN的負(fù)溫度系數(shù)，就可以通過MN₁產(chǎn)生一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電流I₁，在基準(zhǔn)的輸出端抽出。該電流是分段的，當(dāng)T≤T_L的時(shí)候，也就是V_GSN≥V_TN時(shí)，MN₁管工作在飽和區(qū)；當(dāng)T>T_L時(shí)，MN₁工作在亞閾值區(qū)，隨著溫度的繼續(xù)升高，MN₁產(chǎn)生的電流很小^[3]。該補(bǔ)償電流可以明顯提高輸出基準(zhǔn)在低溫段的精度，但也會(huì)惡化基準(zhǔn)在高溫段的精度。因此，為了在寬的溫度范圍內(nèi)獲得較高精度的基準(zhǔn)電壓，有必要在高溫段引入補(bǔ)償電路，由MP₆、MP₇、R₇組成。MP₇鏡像MP₅也產(chǎn)生一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電流，在電阻R₇上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的電壓，合理的選擇R₇的阻值以及MP₆、MP₇的寬長(zhǎng)比。MP₇在T>T_H產(chǎn)生一個(gè)正溫度系數(shù)的電流I₂在基準(zhǔn)輸出端抽出^[4]。它們的電流可由式(1)～式(6)求得：

2.2 放大器電路結(jié)構(gòu)

    圖2中使用的兩個(gè)放大器都是采用圖3電路結(jié)構(gòu)，該放大器采用自偏置，減少電路的功耗。在設(shè)計(jì)放大器時(shí)盡量減少失調(diào)，提高電壓基準(zhǔn)的精度。

2.3 PSRR提高電路

    圖3中由MN₂、MP₈組成的電路即為電壓抑制比提高電路。把運(yùn)放的輸出端與電流鏡的柵極隔開，電源電壓的噪聲直接饋送到基準(zhǔn)的反饋環(huán)路中，調(diào)節(jié)電流鏡中柵極電壓跟隨源極電壓變化，從而使電流鏡中漏源電流保持不變。在沒有明顯增加電路復(fù)雜性同時(shí)，明顯提高了基準(zhǔn)的電源抑制比。由于引入的反饋環(huán)路產(chǎn)生了180度的相移，所以基準(zhǔn)核中運(yùn)放的輸入端要反過來。

3 仿真結(jié)果

    本文中使用的是TSMC 65 nm的CMOS工藝，在1.5 V的電源電壓，對(duì)圖2所示的電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下。圖4、圖5是加入補(bǔ)償前后電壓基準(zhǔn)輸出特性曲線，補(bǔ)償后電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)為：

    圖6為該電路結(jié)構(gòu)的直流特性仿真曲線，對(duì)電源電壓在0~2 V進(jìn)行掃描，可以看到在電源電壓為1.5 V時(shí)開始輸出穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。

    圖7、圖8分別為引入的補(bǔ)償電路電流隨溫度變化的關(guān)系曲線。

    圖9為本文設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)電源抑制比(PSRR)仿真波形圖，由圖可知低頻電源抑制比約為-83 dB。

    表1給出了本文設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)與參考文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]電路結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果對(duì)比。從表1可以看出，和文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]相比，本文設(shè)計(jì)的電壓基準(zhǔn)電路具有更寬的溫度范圍(-50～150 ℃)，并且得到基準(zhǔn)電壓具有更低的溫漂（2.27 ppm/℃）。所使用的電源電壓與文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[5]相比更低，得到的基準(zhǔn)電壓更高。同時(shí)，本文設(shè)計(jì)的電路經(jīng)過改進(jìn)，獲得了更高的電源抑制比為-83.6 dB。

4 結(jié)論

    本文在傳統(tǒng)的電流模電壓基準(zhǔn)的電路結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，引入了分段補(bǔ)償電路電路，在TSMC 65 nm COMS工藝進(jìn)行仿真，得到具有較低溫漂的基準(zhǔn)電壓。同時(shí)本設(shè)計(jì)獲得了更高的電源抑制比。基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為2.27 ppm/℃。電壓抑制比為-83.6 dB。

參考文獻(xiàn)

[1] GABRIEL A，RINCON M，PHILLIP E，et al.A 1.1-V current-mode and piecewise-linear curvature-corrected bandgap reference.IEEE J.Solid-State Circuits，1998，33(10)：1551-1554.

[2] KER M D，CHEN J S.New curvature-compensation technique for CMOS bandgap reference with sub-1-V operation,” IEEE Trans. Circuits Syst. II：Express Briefs，2006，53(8)：667-671.

[3] CHARALAMBOS M A，SAVVAS K，Julius Georgiou.A novel wide-temperature-range，3.9 ppm/℃ CMOS bandgap reference circuit.IEEE J. Solid-State Circuits，2012，47(2)：574-581.

[4] LI J H，BAO Z X，YAN Y M.A 1.2 V piecewise curvature corrected bandgap reference in 0.5 m CMOS process,” IEEE Trans. Very Large Scale Integr. (VLSI) Syst.，2011，19(6)：1118-1122.

[5] VITA G D，IANNACCONE G.A sub-1-V，10 ppm/℃，nanopower voltage reference generator,” IEEE J. Solid-State Circuits，2007，42(7)：1536-1542.

作者信息：

青旭東1，2，鐘 黎1，2，王永祿2，秦少宏1，2，陳振中1，2

1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶400065；2.模擬集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400060