一种高精度曲率补偿带隙基准电压源设计

陈睿等

摘 要： 根据带隙基准电压源的原理，基于CSMC 0.5 μm工艺设计了一种高精度二阶曲率补偿带隙基准电压源。利用MOS管工作在亚阈值区时漏电流和栅极电压的指数关系，在高温段对温度特性曲线进行补偿。通过Spectre仿真，得到输出基准电压为2.5 V的电压基准源。工作电压范围为3.35～7.94 V，1 kHz时电源抑制比为-71.73 dB，温度从-25～125 ℃之间变化时温度系数为7.003×10-6 ℃-1。

关键词： 帯隙基准电压源； 曲率补偿； 亚阈值区； 漏极电流

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0140?03

Abstract： According to the principle of bandgap reference voltage source， a bandgap reference voltage source for high?precision second?order curvature compensation was designed based on CSMC 0.5 μm process. The temperature characteristic curve is compensated in high temperature zone by using the exponential relation between leakage current and grid voltage of a MOSFET working in the sub?threshold region. A voltage reference source， whose output reference voltage is 2.5 V， was obtained by Spectre simulation. Its wiorking voltage range is 3.35～7.94 V， the power supply rejection ratio is ?71.73 dB at 1 kHz. and the temperature coefficient is 7.003×10?6/℃ while temperature changes from ?25 ℃ to 125 ℃.

Keywords： bandgap reference voltage source； curvature?compensation； sub?threshold region； drain current

0 引 言

基准电压源[1?2] 是模拟集成电路中的关键模块之一，其精度直接决定了系统的整体性能。通常进行1阶温度补偿后，在-25～125 ℃之间变化时温度系数为几十个PPM/℃，远不能满足系统要求，采用新的方法对帯隙基准源进行高阶温曲率校正，其温度系数能减小到几个PPM/℃。目前常见的曲率补偿方法有：采用不同温度系数电阻补偿、分段线性补偿、指数补偿等[3]。

利用温度不同的温度系数电阻进行补偿无法消除温度系数中高阶项影响；如果采用分段补偿的方法会增加电路的复杂程度。本文在对传统的曲率补偿电路的分析和总结的基础上增加了很少量的MOS管实现对温度系数的曲率补偿。最终使得温度系数[4?6]减小到 7.003 PPM/℃。

1 带隙基准电压源基本工作原理

带隙基准电压源产生基准电压的原理[7]是：分别找到正温度系数和负温度系数的电压，将二者进行合适的比例放大，最终得到具有零温度系数的基准电压[8] 。如电压V1是正温度系数电压，电压V2为负温度系数的电压，若能找到合适比例系数α和β则式（1）：

因此，只要选定合适的n值，就可得到正温度系数电压。

2 带隙基准电压源电路设计及工作原理分析

2.1 带隙基准源核心电路

带隙基准源电路如图1所示，主要分为核心电路[2]和曲率补偿电路两个部分。核心电路由高增益运算放大器OP、三极管Q1～Q4构成两对级联的射极跟随器。Q1，Q2的发射极面积为Q3，Q4的发射极面积的n倍。由于运算放大器作用，使得最终V-点电位与V+点电位相同。使P2～P5管的宽长比相同，忽略Q1，Q3基极电流，可以认为流过Q1～Q4的电流相同，有：

漏电流增加使曲线在高温段变得上翘，形成新极点，显著降低了整体的温度系数。电路上电时三极管Q5迫使N工作在亚阈值区使电路进入工作状态[12]。

2.3 高增益运算放大电路[13?14]

运算放大器性能的优劣直接决定基准源的性能[9] 。图2中，整个放大电路分为I启动电路Ⅱ偏置电路Ⅲ一级放大电路Ⅳ二级放大电路四个部分。

基准源中的运放要放大的电压相对较低，所以输入对管采用PMOS，为了提高整体电路的电源抑制比并增大运放的增益，采用折叠式共源共栅结构。用电阻R2和电容C实现密勒补偿提高了系统稳定性。

3 仿真结果分析与版图

采用CSMC公司的0.5 μm CMOS工艺库，用Spectre对整体电路进行仿真。图3中电压基准源的温度特性由一阶的开口向下的抛物线变成了高温区上翘的N型曲线。

图4所示基准源工作范围为3.35～7.94 V，输出电压为2.5 V。 如图 5启动时间为3.8 μs。图6中电源抑制比在1 Hz～10 kHz保持在-72.75 dB。运放的失调电压对基准源的精确度有决定性的影响。为了减小运算放大器失调电压的影响，如图 7所示，运算放大器关键器件都采用大尺寸的器件，对于核心电路的寄生三极管采用复制的方法，保证三极管之间有良好的匹配程度减小因为布局带来的影响。电阻同样采用把大电阻拆分成小电阻的方法，保证电阻之间的比例匹配。

4 结 语

本文采用共源共栅放大器，设计了一种2阶温度补偿的带隙基准电压源，在CSMC 0.5 μm工艺下进行了仿真。5 V的电源电压下，在-25～125 ℃温度系数为7.003 ppm/℃。电源电压为3.35～7.94 V时，输出电压为2.5 V。在1 kHz时电源抑制比为-71.73 dB。

参考文献

[1] 何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真[M].北京：科学出版社，2008.

[2] B Razavi.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，2002.

[3] 吴志明，杨鹏，吕坚，等.非线性补偿的低温漂低功耗CMOS带隙基准源的设计[J].电子科技大学学报，2009（1）：137?140.

[4] ANDREOU C M， KOUDOUNAS S， GEORGIOUS J. A novel wide?temperature?range， 3.9 ppm/℃ CMOS bandgap reference circuit [J]. IEEE Journal of Solid?state circuits， 2012， 2： 574?581.

[5] GIUSTOLISI G， PALUMBO G， CRISCIONE M， et al. A low?voltage low?power voltage reference based on subthreshold MOSFETs [J]. IEEE Solid?State Circuits， 2003， 1： 151?154.

[6] KOUDOUNAS S， ANDREOU C， GEORGIOU J. A novel MOS bandgap reference circuit with improved high?order temperature compensation [C]// Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. [S.l.]： IEEE， 2010： 26?35.

[7] 李红宝，胡刚毅，胡永贵，等.一种用于负LDO稳压器的高精度带隙基准源[J].微电子学，2006（6）：754?758.

[8] 方海莹，吕坚，于军胜，等.一种高精度曲率补偿带隙基准电压电路[J].现代电子技术，2010，33（6）：1?3.

[9] 刘宇，王丹.一种低压低功耗的亚阈型CMOS基准电压源[J].电子技术应用，2011（3）：48?50.

[10] LI Jing?hu， ZANG Xing?bao， YU Ming?yan. A 1.2?V piecewise curvature?corrected bandgap reference in 0.5μm CMOS process [J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integr. Syst.， 2011， 6： 1118?1122.

[11] 张静.CMOS带隙基准源高阶温度补偿的设计与仿真[D].成都：西南交通大学，2013.

[12] 郭美洋，姚建军，孙克.一种曲率补偿CMOS带隙基准源的设计[C]//2010年全国半导体器件技术研讨会论文集.北京：中国半导体行业协会，2010：4?7.

[13] 朱治鼎，彭晓宏，吕本强，等.高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计[J].微电子学，2012（2）：146?149.

[14] 殷万君，白天蕊.改进型折叠式共源共栅运算放大器电路的设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：167?168.

4 结 语

本文采用共源共栅放大器，设计了一种2阶温度补偿的带隙基准电压源，在CSMC 0.5 μm工艺下进行了仿真。5 V的电源电压下，在-25～125 ℃温度系数为7.003 ppm/℃。电源电压为3.35～7.94 V时，输出电压为2.5 V。在1 kHz时电源抑制比为-71.73 dB。

参考文献

[1] 何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真[M].北京：科学出版社，2008.

[2] B Razavi.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，2002.

[3] 吴志明，杨鹏，吕坚，等.非线性补偿的低温漂低功耗CMOS带隙基准源的设计[J].电子科技大学学报，2009（1）：137?140.

[4] ANDREOU C M， KOUDOUNAS S， GEORGIOUS J. A novel wide?temperature?range， 3.9 ppm/℃ CMOS bandgap reference circuit [J]. IEEE Journal of Solid?state circuits， 2012， 2： 574?581.

[5] GIUSTOLISI G， PALUMBO G， CRISCIONE M， et al. A low?voltage low?power voltage reference based on subthreshold MOSFETs [J]. IEEE Solid?State Circuits， 2003， 1： 151?154.

[6] KOUDOUNAS S， ANDREOU C， GEORGIOU J. A novel MOS bandgap reference circuit with improved high?order temperature compensation [C]// Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. [S.l.]： IEEE， 2010： 26?35.

[7] 李红宝，胡刚毅，胡永贵，等.一种用于负LDO稳压器的高精度带隙基准源[J].微电子学，2006（6）：754?758.

[8] 方海莹，吕坚，于军胜，等.一种高精度曲率补偿带隙基准电压电路[J].现代电子技术，2010，33（6）：1?3.

[9] 刘宇，王丹.一种低压低功耗的亚阈型CMOS基准电压源[J].电子技术应用，2011（3）：48?50.

[10] LI Jing?hu， ZANG Xing?bao， YU Ming?yan. A 1.2?V piecewise curvature?corrected bandgap reference in 0.5μm CMOS process [J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integr. Syst.， 2011， 6： 1118?1122.

[11] 张静.CMOS带隙基准源高阶温度补偿的设计与仿真[D].成都：西南交通大学，2013.

[12] 郭美洋，姚建军，孙克.一种曲率补偿CMOS带隙基准源的设计[C]//2010年全国半导体器件技术研讨会论文集.北京：中国半导体行业协会，2010：4?7.

[13] 朱治鼎，彭晓宏，吕本强，等.高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计[J].微电子学，2012（2）：146?149.

[14] 殷万君，白天蕊.改进型折叠式共源共栅运算放大器电路的设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：167?168.

4 结 语

本文采用共源共栅放大器，设计了一种2阶温度补偿的带隙基准电压源，在CSMC 0.5 μm工艺下进行了仿真。5 V的电源电压下，在-25～125 ℃温度系数为7.003 ppm/℃。电源电压为3.35～7.94 V时，输出电压为2.5 V。在1 kHz时电源抑制比为-71.73 dB。

参考文献

[1] 何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真[M].北京：科学出版社，2008.

[2] B Razavi.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，2002.

[3] 吴志明，杨鹏，吕坚，等.非线性补偿的低温漂低功耗CMOS带隙基准源的设计[J].电子科技大学学报，2009（1）：137?140.

[4] ANDREOU C M， KOUDOUNAS S， GEORGIOUS J. A novel wide?temperature?range， 3.9 ppm/℃ CMOS bandgap reference circuit [J]. IEEE Journal of Solid?state circuits， 2012， 2： 574?581.

[5] GIUSTOLISI G， PALUMBO G， CRISCIONE M， et al. A low?voltage low?power voltage reference based on subthreshold MOSFETs [J]. IEEE Solid?State Circuits， 2003， 1： 151?154.

[6] KOUDOUNAS S， ANDREOU C， GEORGIOU J. A novel MOS bandgap reference circuit with improved high?order temperature compensation [C]// Proceedings of 2010 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. [S.l.]： IEEE， 2010： 26?35.

[7] 李红宝，胡刚毅，胡永贵，等.一种用于负LDO稳压器的高精度带隙基准源[J].微电子学，2006（6）：754?758.

[8] 方海莹，吕坚，于军胜，等.一种高精度曲率补偿带隙基准电压电路[J].现代电子技术，2010，33（6）：1?3.

[9] 刘宇，王丹.一种低压低功耗的亚阈型CMOS基准电压源[J].电子技术应用，2011（3）：48?50.

[10] LI Jing?hu， ZANG Xing?bao， YU Ming?yan. A 1.2?V piecewise curvature?corrected bandgap reference in 0.5μm CMOS process [J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integr. Syst.， 2011， 6： 1118?1122.

[11] 张静.CMOS带隙基准源高阶温度补偿的设计与仿真[D].成都：西南交通大学，2013.

[12] 郭美洋，姚建军，孙克.一种曲率补偿CMOS带隙基准源的设计[C]//2010年全国半导体器件技术研讨会论文集.北京：中国半导体行业协会，2010：4?7.

[13] 朱治鼎，彭晓宏，吕本强，等.高性能折叠式共源共栅运算放大器的设计[J].微电子学，2012（2）：146?149.

[14] 殷万君，白天蕊.改进型折叠式共源共栅运算放大器电路的设计[J].现代电子技术，2012，35（20）：167?168.