高精度带曲率补偿基准电压源的设计.doc

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-2080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：1wang ho ng y i,lai xinquan,li yushan,et al.a piece wise linear compensated bandgap referencej.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