一种低温度系数带隙基准源设计

马 哲，王 沦

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

一种低温度系数带隙基准源设计

马 哲，王 沦

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

采用两个三级管基极－发射极串联的带隙基准可以降低运放失调电压的影响，但是在CMOS工艺中，三级管的正向电流放大倍数β很小，导致三极管基极电流的分流会对发射极电流产生很大影响，带隙基准输出存在较大温漂。为了解决这个问题，提出了一种带基极电流补偿的低温度系数带隙基准源电路。电路设计采用TSMC 0．25μm工艺，经过spectre仿真验证，进行－55℃－125℃的温区扫描，基准随温度变化范围为1．85mV，相应的温漂系数为8．44ppm／℃，加入基极电流补偿电路后电源电流只增加了0．5μA。

带隙基准；低温度系数；基极电流补偿

1 引 言

电压基准源被广泛应用于模拟及数模混合集成电路中，作为一个独立的功能模块其性能决定了整个芯片的的可靠性。电压基准源的电路结构有很多种，带隙基准源作为电压基准的一种结构，一直被广泛应用。

传统的带隙基准利用两个PN结串联的结构降低运放的输入失调电压影响，通常采用两个PNP三极管实现，一个PNP三极管的基极相连到另外一个PNP三级管的发射极。但是由于CMOS工艺中三极管的电流放大倍数较小，相应的基极电流较大，致使发射极到集电极电流存在基极电流分流现象，导致基准的输出温度系数较大。为了解决由于基极电流存在而造成的输出干扰，提出了一种带基极电流补偿的低温度系数带隙基准电路。

2 传统带隙基准电路设计

传统带隙基准电路的设计采用两个具有相反温度系数的量以适当的权重相加，结果显示出零温度系数。由于双极晶体管的基极－发射极电压具有负温度系数，而两个双极晶体管的基极－发射极电压的差值与绝对温度成正比，那么利用这两个正、负温度系数的电压就可以设计出一个令人满意的零温度系数基准［1］。传统的带隙基准电路图如图1所示。

图1中A1为运算放大器，保证运放两端电压相等；M1与M7、M2与M8、M3与M6、M4与M9以及M33与M34为共源共栅电流源，为电路工作提供偏置电流，其相互为镜像关系；Q1与Q2的发射极面积为A，Q3与Q4发射极面积为nA，其差值与R1的比提供一个正温度系数的电流；Q7发射极面积为A，提供负温度系数电压；R1、R2为消除温度系数的比例因子。

图1 传统带隙基准电路图

负温度系数的推导过程如下：

为了减少运放A1失调电压的影响，通过采用两个PNP三极管串联的形式。PNP三极管的发射极与基极的电压VBE为：

假设IC保持不变，VBE对温度T求导数。

公式（2）给出了给定温度T下基极－发射极电压的温度系数。

正温度系数电压的推导公式为：

忽略基极电流的情况，可以得到三级管Q1与Q3集电极电流相等，Q2与Q4集电极电流相等。那么由公式（3）可以得出：

因此，通过正负温度系数相加得到输出基准电压如公式（5）所示：

只要合适的选取K1与K2的值，就可以得到零温度系数的基准输出。

实际电路中，由于基极电流的存在，Q1与Q3以及Q2与Q4的集电极电流是不相等的，电流的具体走线图如图2所示，通过图2可以得到：

将公式（6）～（11）带入公式（3）中可以得到：

公式（12）中，集电极电流IC2与IC4近似相等，因此得出公式（13）。

通过公式（13）可以看出，与忽略基极电流情况相比，公式中引入了基极电流（括号中的第二项）。由于基极电流IB1及IB3的不确定性，将会产生基准输出不稳定［2］。

3 低温度系数带隙基准电路设计

针对以上推导过程中出现的基极电流造成基准电压输出问题，提出了一种基极电流补偿电路，通过对IB1及IB3进行电流补偿，抵消公式13中不确定因子，得到低温度系数基准电路。基极电流补偿电路如图2所示。

图2 基极电流补偿电路

图2只是基极电流补偿电路的一部分，对面积为nA的Q3进行补偿。由于对面积为A的Q1基极电流补偿电路与Q3基极电流补偿原理相同［3］，这里只介绍图2工作原理。Q5为Q3基极电流采样管，通过Q5的基极电流的大小特性与Q3基极电流相同。那么通过共源共栅电流镜的镜像将Q3的基极电流通过M5管的漏极输出，记为InA。图中，Vbias1为运算放大器的输出端，Vbias2为共源共栅管的偏置电压。低温度系数带隙基准电压整体工作图如图3所示。

图3 低温度系数带隙基准电压整体电路图

基极电流补偿的带隙基准电路整体结构如图3所示，由带隙基准核心电路及两个基极电流补偿模块组成。保证所有共源共栅电流镜为镜像关系，通过推导可以得出：

根据电流走向依据基尔霍夫电流规则，可以得到：

由于Q4与Q2的集电极电流相等，那么公式（18）可以转换为：

公式（19）可以得到与基极电流无关的电压差与理想情况下得到的公式（4）相同，由于将基极电流消除，因此将发射极电流分流造成的基准电压温度漂移现象消除。

4 仿真结果

图4、图5为采用基极电流补偿前后的温漂特性对比。图4为没有采用基极电流补偿电路的输出电压随温度变化曲率；图5为采用基极电流补偿电路后输出电压随温度变化曲率。进行－55℃－125℃的温区扫描，在全温区范围，图4显示基准随温度变化范围为2．7mV，相应的温漂系数为12．35ppm／℃；在全温区变化范围内，图5显示基准随温度变化范围为1．85mV，相应的温漂系数为8．44ppm／℃。

图4 未采用基极电流补偿电路输出结果

图5 采用基极电流补偿电路输出结果

基于以上存在说明，由于带隙基准电路中基极电流的不可忽略性而导致的基准温度特性差的现象，提出一种基极电流补偿技术，通过共源共栅电流镜及基极电流采样三级管，能够实现补偿与基极电流大小及特性相同的基极电流。通过实际电路验证结果的对比，发明的基极电流补偿电路对基准输出的温度曲线改善的效果是明显的，因此，可以得到稳定性很高的带隙基准输出。

5 结束语

带隙基准广泛应用于模拟及数模混合集成电路中。通过采用基极电流补偿技术提高了基准输出稳定性，提出了一种低温度系数的带隙基准电路。电路采用TSMC 0．25μm工艺，通过仿真验证在－55℃到125℃的温度变化范围内，输出温漂为1．85mV，相应的温漂系数为8．44ppm／℃。通过仿真结果可以看出，此款电路具有很高的应用价值。

［1］ Razavi B．Design of analog CMOS integrated circuits［M］．Mc－Graw－Hill，2002．

［2］ FIORIF，CROVETTI P S．A new compact temperature compensated CMOS current reference［J］．IEEE Transaction on Circuits and Systems，2005，52（11）：724－728．

［3］ KHAN Q A，WADHWA SK，MISRI K．Low power startup circuits for voltage and current reference with zero steady state current［C］．Proceedings of the 2003 International Symposium on Low Power Electronics and Design．New York：ACM，2003：184－188．

Design of Low Temperature Coefficient Bandgap Reference

Ma Zhe，Wang Lun
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

The effect，caused by the input offset of the operational amplifier，can be reduced by the utilization of two bipolar in series in bandgap references．But in CMOS process，the forward beta is so small that the current of base has a significant effect on the collector current，which leads to a large drift for the reference voltage．To solve this problem，a base current compensating technique is proposed in a low temperature coefficient bandgap reference．The circuit adopts TSMC 0．25μm process，the simulation results show that the temperature coefficient is 8．44ppm／℃，the reference drift 1．85mV within－55℃to 125℃．The current of the power only increases 0．5 μA after adopting base current compensation circuit．

Bandgap references；Low temperature coefficient；Base current compensation

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．003

TN47

A

1002－2279（2015）04－0008－03

马哲（1981－），男，辽宁沈阳人，工程师，主研方向：微电子。

2014－10－31