基于BiCMOS工艺可修调的高精度低温度系数带隙基准源设计*

王文建

(浙江商业职业技术学院应用工程学院,杭州 310053)



基于BiCMOS工艺可修调的高精度低温度系数带隙基准源设计*

王文建*

(浙江商业职业技术学院应用工程学院,杭州 310053)

设计了一种利用电阻比值校正一阶温度系数带隙基准电路的非线性温度特性来实现低温度系数的高精度低温度系数带隙基准源;同时设置了修调电路提高基准电压的输出精度。该带隙基准源采用0.8 μm BiCMOS(Bipolar-CMOS)工艺进行流片,带隙基准电路所占面积大小为0.04 mm2。测试结果表明:在5 V电源电压下,在温度-40 ℃～125 ℃范围内,基准电压的温度系数为1.2×10-5/℃,基准电流的温度系数为3.77×10-4/℃;电源电压在4.0 V～7.0 V之间变化时,基准电压的变化量为0.4 mV,电源调整率为0.13 mV/V;基准电流的变化量为变化量约为0.02 μA,电源调整率为6.7 nA/V。

温度传感器芯片;带隙基准;温度系数;电源调整率

温度传感器广泛应用于工业仪表、消费电子等领域[1-5],温度传感器芯片中需要高性能基准源,基准源提供的基准电压和基准电流直接影响温度传感器的精度和稳定性。基准电压和基准电流都是从带隙基准电路输出得到的,所以带隙基准电压和基准电流的精度直接关系到芯片的性能。这就对带隙基准电压和基准电流的精度提出了更高的要求,包括高输出精度、低温度系数、低电源电压调整率、高电源抑制比等[6-16]。

本文设计的带隙基准电路是利用不随温度变化的电阻比值校正了一阶温度系数带隙基准电路的非线性温度特性,获得低温度系数的基准电压和基准电流,同时通过设计修调电路获得高精度和低温度系数的基准电压和基准电流,最后流片并给出测试结果。

1 电路功能与原理

1.1 电路功能

带隙基准电路的主要功能是产生稳定的基准电压和基准电流,该电压和电流随电源电压和温度的变化很小。在保证正常工作的条件下,要求静态功耗尽量小。另外,带隙基准电路需要启动电路来保证正确的启动过程;反馈环路必须工作在稳定的条件下。

本文设计的带隙基准电路主要是产生1.250 V的基准电压和3.0 μA的基准电流,实现原理为VBE和ΔVBE的一阶补偿,通过修调进一步提高精度。

1.2 工作原理

带隙基准源如图1所示,由启动电路和基准产生电路。

图1 带隙基准源电路

1.2.1 启动电路

如图1所示,由于M1的栅极接地而导通,R1、M1、Q3形成从电源到地的通路,M3的栅极拉低而导通,同时Q2也正常工作,可以设置M3的上拉能力大于Q2的下拉能力使节点C为高电平,启动开始;通过节点C可以获知电路的启动状态,当节点C为高电平时启动正常,节点C为低电平时启动未开始。同时,M2的栅极接地而导通,其所在的通路R1、M2、Q1、Q3导通,流过Q1的电流通过镜像方式使得Q4导通,这样就有电流流过基准生成电路,起到启动电路的作用。

1.2.2 基准产生电路

如图1所示,M6采用二极管连接方式,与Q4、R9支路构成通路,此时M4、M8、M10导通;R9支路导通后,R7、R8两条支路有电流通过,使得Q7、Q8导通;Q7、M11、 M10支路导通,使M7、M9和M13导通。此时R9上端电位升高使Q4截止,启动电路停止工作,支路电流由M9来提供;Q4截止后,M6栅极和漏极的电位由M4、M5、M7、Q8和R10共同决定;此时基准生成电路正常工作,输出基准电压VREF和基准电流IREF。

Q6的发射极面积是Q5的8倍,有ISQ6=8ISQ5,其中反馈通路保证通过Q5和Q6的电流相等,所以流过R2的电流为:

(1)

(2)

式中:RTRIM为修调电阻;两边对温度求导有:

(3)

图1中常温下VBE6的温度系数为-1.5 mV/℃,而VT的温度系数为0.087 mV/℃;因此要使VREF在室温下为零温度系数,则有:

(4)

通过对修调电阻RTRIM进行修调,即是对电阻比值进行调整,可得到接近零温度系数的带隙基准电压。

1.2.3 基准电流IREF

如图1所示,M9的源极电压为:

(5)

则,基准电流IREF为:

(6)

R11可以采用负温度系数的多晶POLY电阻,这样可以和负温度系数的VBE6抵消一部分温度带来的影响,另一方面在调节基准电压时通过调节修调电阻来进一步调节基准电流的温度系数和精度。

1.2.4 修调电阻RTRIM

图2 修调电阻

如图2为修调电阻RTRIM,其中D、E、F、G、H为修调点,对应的电阻分别为8kΩ、16kΩ、32kΩ、64kΩ、128kΩ,2次方倍增加,这样是为了曲线调节的圆滑;修调前修调点是通过铝条连接的,把所并联的电阻短掉。根据式(4)可知,调节修调电阻RTRIM可以调节基准电压的温度系数,另一方面根据式(2)得,可以通过调节修调电阻进而调节电阻比值来调节基准电压的输出精度。通过烧断修调点所在的铝条,使得修调以后与其并联的电阻放开,串联在电路中,总电阻增大。

由于修调电阻前后的基准电压比值恒定,基准电压比值可以作为修调测试的依据。烧断表示电阻加大,修调的电阻越大,基准电压越高。具体烧断哪个铝条,根据表1查询得到。测试时,记下初始基准电压值V0,目标值1.250 0V(芯片要求基准电压在1.225 0V～1.275 0V之间)除以V0得到X值,到表1中查找接近的X值,由X值确定修调点。例如,设修调前的基准电压为1.223 0V,则,

(7)

表1 修调点对应基准电压值

查表1,序号19的X值1.022 3比较接近1.022 1,通过直接烧断修调点E、H即可。

修调点的烧断方式很多:①采用激光方式,这种方式成本高;②采用在修调点两端的PAD上加3 V电压来烧断铝条;③采用在修调点两端的PAD上加-3 V电压来烧断铝条;④采用在修调点两端的PAD上灌电流方式来烧断铝条。可以根据测试条件选择采用哪种方式进行修调;该带隙基准源采用方式②。

2 芯片版图

图3为带隙基准源芯片照片,面积大小为0.04 mm2,采用0.8 μm BiCMOS工艺进行流片。

图3 带隙基准源芯片照片

图4 基准电压VREF随电源电压VDD变化曲线

3 测试结果及分析

流片后,对带隙基准源进行了测试。

图4为基准电压VREF随电源电压VDD变化曲线。电源电压VDD在4.0 V～7.0 V变化时,基准电压VREF的变化量约为0.4 mV,电源调整率为0.13 mV/V。图5为基准电压VREF温度特性曲线。在5.0V电源电压下,在温度-40 ℃～125 ℃范围内的温度系数为1.2×10-5/℃。图6为基准电压IREF随电源电压VDD变化曲线。电源电压VDD在4.0 V～7.0 V变化时,基准电流IREF的变化量约为0.02 μA,电源调整率为6.7 nA/V。图7为基准电流IREF温度特性曲线。在5.0 V电源电压下,在温度-40 ℃～125 ℃范围内的温度系数为3.77×10-4/℃。

图5 基准电压VREF温度特性曲线

图6 基准电流IREF随电源电压VDD变化曲线

图7 基准电流IREF温度特性曲线

4 结论

利用电阻比值校正了一阶温度系数带隙基准电路的非线性温度特性来实现低温度系数,设置了修调电路提高基准电压的输出精度。采用0.8 μm BiCMOS工艺进行流片,带隙基准源所占面积大小为0.04 mm2。测试结果表明:在5 V电源电压下,在温度为-40 ℃～125 ℃范围内,基准电压的温度系数为1.2×10-5/℃,基准电流的温度系数为3.77×10-4/℃;电源电压在4.0 V～7.0 V之间变化时,基准电压的变化量为0.4 mV,电源调整率为0.13m V/V;基准电流的变化量为变化量约为0.02 μA,电源调整率为6.7 nA/V。所设计的带隙基准源具有高精度、低温度系数,能满足温度传感器的使用要求,并可用于电源管理类芯片中,具有较高的实用价值。

[1] 单文焘,张培勇,冯忱晖. 基于运行模式切换的低不匹配误差高动态范围CMOS智能温度传感器[J]. 传感技术学报,2015,28(1):142-147.

[2] 包志均,王艳华. 基于比率测量的CMOS高温温度传感器设计[J]. 传感技术学报,2016,39(3):540-545.

[3] 曹新亮,余宁梅,卫秦啸. 集成CMOS温度传感器设计、实现和测试[J]. 传感技术学报,2010,23(1):38-42.

[4] 林海军,杨进宝,汪鲁才,等. 基于复合RBFNN的数字温度传感器误差补偿方法[J]. 传感技术学报,2011,24(2):243-247.

[5] 任重,谭秋林,李晨,等. 基于高温烧结氧化铝陶瓷的无线无源温度传感器[J]. 传感技术学报,2014,27(5):654-657.

[6] 杨宁,史仪凯,袁小庆,等. 高精度、低功耗带隙基准源及其电流源设计[J]. 传感技术学报,2014,27(1):58-63.

[7] 王宇星,朱波. 一种用于PWM控制Buck 型DC-DC变换器的带隙基准源[J]. 电子器件,2013,36(2):252-255.

[8] 刘春娟,王永顺,刘肃. 高精度低噪声基准电压源的设计[J]. 固体电子学研究与进展,2011,31(6):624-629.

[9] 吴蓉,张娅妮,荆丽. 低温漂高TPRR新型带隙基准电压源的研制[J]. 半导体技术,2010,35(5):503-506.

[10] 程知群,徐延延. 一种高精度低温漂带隙基准源的设计[J]. 杭州电子科技大学学报,2013,33(1):1-4.

[11] 刘军儒,牛萍娟,高铁成. 一种高电源抑制比带隙基准电压源的设计[J]. 天津工业大学学报,2010,29(2):60-62.

[12] 杨毅,梁蓓. 一种高性能CMOS带隙基准电压源的设计[J]. 贵州大学学报(自然科学版),2014,31(2):69-73.

[13] 张献中,张涛. 一种三阶曲率补偿带隙基准电压源的设计[J]. 武汉科技大学学报,2015,38(1):67-71.

[14] 唐宁,李佐,李琦. 一种改进的非线性匹配高阶补偿基准源的设计[J]. 电子器件,2013,36(6):797-801.

[15] 朱彤,黄飞,谢森,等. 一种低温度系数高驱动能力的带隙基准电路[J]. 微电子学,2011,41(4):545-549.

[16] 吴金,聂卫东,常昌远,等. 基于失配控制的非线性补偿带隙基准电路设计[J]. 东南大学学报(自然科学版),2011,41(5):917-922.

Design of High Precision Low Temperature Coefficient Bandgap Reference with Trimming Based on BiCMOS Process*

WANG Wenjian*

(Applied Engineering College,Zhejiang College of Business,Hangzhou 310053,China)

A high precision low temperature coefficient bandgap reference is designed. The bandgap reference source corrects the non-linear temperature characteristic of the bandgap reference circuit of the first-order temperature coefficient by using the ratio of the resistance,so that the accuracy and the temperature coefficient of the reference voltage are greatly improved. The trimming circuit is also used to improve the output accuracy of the reference voltage. 0.8 μm BiCMOS(Bipolar-CMOS)process was used to fabricate the wafers. The bandgap reference circuit occupied 0.04 mm2. The results show that the temperature coefficient of the reference voltage is 1.2×10-5/℃ and the temperature coefficient of the reference current is 3.77×10-4/℃ in the temperature range of -40 ℃～125 ℃ under the 5 V power supply voltage. When the power supply voltage changes between 4.0 V～7.0 V,the variation of the reference voltage is 0.4 mV and power supply regulation rate is 0.13 mV/V,the variation of the reference current is about 0.02 μA and power supply regulation rate is 6.7 nA/V.

temperature sensor chip;bandgap reference;temperature coefficient;power supply regulation

王文建(1973-),男,硕士,高级工程师,从事电源管理和数模混合集成电路设计和研究,540843839@qq.com。

项目来源:浙江省科技厅公益技术应用研究计划项目(2017C31077)

2016-11-04 修改日期:2016-12-14

TN432

A

1004-1699(2017)05-0674-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.007