高精度带曲率补偿基准电压源的设计

高精度带曲率补偿基准电压源的设计

摘 要： 通过对基本带隙基准电压源原理的分析，得出基本带隙基准电压源在精度上仍然存在的缺陷，从而提出通过曲率补偿的方式来提高带隙基准电压源的精度，该方法是通过对双极晶体管基极-发射极电压的二阶温度补偿，进而大大改善带隙基准的温度特性，本设计采用smic 0.18um工艺，利用cadence spectre仿真工具进行仿真，结果表明，温度范围在-20～-80之间时，该基准电压源的温度系数为8.8ppm/℃。

关键词： 高精度；带隙基准；曲率补偿 0 引言

在现代集成电路设计中，特别是片上系统的设计中，片内的基准电压源是必不可少的。基准源的精度往往直接决定了片上系统的精度，特别是系统中的a/d、d/a等。由于基准源的精度与温度有关，为了提高基准源的精度，必须尽量降低其温度系数（tc）。由于带隙基准电路能够实现高电源抑制比和低温度系数，因此成为目前各种基准电压源电路中性能最佳、应用最广泛的电路[1]。 传统带隙基准电压源在精度上往往不能做到很高，主要是只考虑了一阶温度影响，本文通过对双极晶体管基极发射极电压的二阶温度补偿，大大改善了带隙基准的温度特性。 1 带隙基准电压源原理[2]

图1（a）为带隙电压基准源的原理示意图。pn结压降vbe在室温下的温度系数约为-2.0mv/k，热电压vt(vt=k0t/q)，在室温下的

温度系数为0.085mv/k，将vt乘以常数k并和vbe相加可得到输出电压vref为： （1）

将式（1）对温度t进行一次微分，并在室温下等于零（输出电压在室温下的理论温度系数等于零），解得常数k，即：

图1（b）是传统的cmos带隙电压基准源电路，图中的运算放大器的作用是使电路处于深度负反馈状态，从而让运放两输入端电压相等。在电路稳定输出时：

将式（6）两端对温度t微分，理论上令vref对t微分等于0，即可求出r2与r1的比值，从而确定电路。但是如果绘制带隙电压对温度的函数曲线，其曲率是有限的，即带隙电压的温度系数在某一温度下为零，在其他温度下为正值或负值，该曲率由基极-发射极电压、集电极电流和失调电压随温度改变引起。针对以上缺点本文提出了一种新颖的带隙基准电压源，采用二阶温度补偿的方法大大改善了温度特性。 2 电路设计

本次课题的总体电路如图2所示，电路总的有三部分：运算放大器、带隙基准核心、启动电路。运算放大器使得带隙基准核心电路两个晶体管两端电压相等，带隙基准核心电路是电路用于产生基准电压。启动电路是当上电的时候电路不能正常工作时启动电路。总体电路如下：

2.1 基准电路的核心部分

该部分的主要设计思路是通过消除二阶项来减小对输出电压的影响，传统的一阶通常都忽略二阶项的影响，所以得到的电压还是会受到温度的影响。电路中m1-m4为电路提供电流偏置，用pmos构成的共源共栅电路来实现，进一步提高了电源抑制比[3]。 在上部分电路中，我们取r1=r2，r4=r5，电流镜m1、m2上的电流i=ivbe+iptat（ivbe是流过r1或者r2的电流）ivbe=vbe/r2，大小和温度成反比。所以电流镜上的电流在一阶情况下可以近似认为和温度无关，将这个电流注入到q3中，q3上电压可表示为：

这时q1或q2与q3上的电压差就是所需要的非线性电压：

只要将这个非线性的电压乘上一个系数，带入任意的vbe，就可以消去其中的非线性量。这一步通过电阻r4和r5实现，由此可以得到输出电压

在电路中，我们取q1面积为100，q2、q3面积为4，通过计算可以得到电路中各期间参数。

2.2 带曲率补偿带隙基准电压源的仿真

本设计是采用smic 0.18um工艺进行设计，并利用cadence spectre进行仿真。

利用计算可得整体电路的温度系数为：8.8ppm/℃。 3 结论

本文设计了一款低温漂的cmos带隙基准电压源，设计中使用二

阶温度补偿技术，大大提高了基准输出电压的精度。仿真结果表明，当在-20～80度温度范围内，基准的温度系数为8.8ppm，具有良好性能。

基金项目：福建工程学院青年基金项目（gy-z09087） 参考文献：

[1]wang ho ng y i,lai xinquan,li yushan,et al.a piece wise linear compensated bandgap reference[j].chinese journal of semico nduct ors,2004,25(7):771-776.

[2]张国成，高精度带隙基准源及其输出接口电路的设计，中国科技信息，2009（23）.

[3]来新泉等，一种二阶曲率补偿的高精度带隙基准电压源，西安电子科技大学学报（自然科学版），vol.37，no.5. 作者简介：

张国成，男，讲师，福建工程学院电子信息与电气工程系。