分段曲率补偿带隙基准的设计

白宇欣，李燕楠

(1. 西安电子科技大学 附属中学， 陕西 西安 710071；2. 重庆邮电大学 光电工程学院， 重庆 400065)

分段曲率补偿带隙基准的设计

白宇欣1，李燕楠2

(1. 西安电子科技大学 附属中学， 陕西 西安 710071；2. 重庆邮电大学 光电工程学院， 重庆 400065)

基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺，采用分段曲率补偿技术设计了一种低温漂带隙基准电压源。利用工作在亚阈值区的NMOS晶体管的漏电流与栅源电压的指数关系产生一个非线性补偿电流，在高温段对基准电压进行温度补偿。利用Cadence软件对基准电路进行设计和仿真。结果表明，在-40～125 ℃的温度范围内，文中设计的基准电路获得了3.4 ppm/℃的温度系数，在1 kHz、100 kHz、1 MHz的频率处分别获得了-78.7 dB、-54.9 dB、-32.5 dB的电源抑制比。

带隙基准; 分段曲率补偿; 亚阈值区

基准电压源是集成电路的重要组成模块之一，广泛用于锁相环(PLL)、模/数转换器(ADC)、动态存储器(DRAM)等电路中，为芯片提供与工艺，电源电压和温度(PVT)变化无关的恒定参考电压。在高精度集成电路中，低温度系数、高电源抑制比的基准电压源设计很重要。传统的一阶带隙基准的温度特性受三极管基极-发射极电压VBE非线性的影响，温度系数>20 ppm/℃[1]。为了得到高精度的基准电压，多种带隙基准补偿技术被提出，如与温度相关电阻比例[2]、VBE线性化补偿[3]、分段线性补偿[4]、指数补偿[5]等。本文采用曲率补偿技术设计了一种低温度系数的带隙基准电路，在高温段对基准电压进行补偿，有效改善了基准电路的温度特性。

1 带隙基准基本原理

传统的带隙基准电压源由正温度系数电压和负温度系数电压以一定的比例相加，进而得到与温度无关的基准电压[6]。在设计带隙基准电路时，通常将三级管的基极-发射极电压VBE作为负温度系数电压，将两个具有不同电流密度的三级管的基极-发射极电压差值ΔVBE作为正温度系数电压。图1为带隙基准电压源的基本原理，其中基准输出电压Vref满足

Vref=VBE+KΔVBE

(1)

式中，K为比例系数。

图1 带隙基准电压源的基本原理

实际上，VBE与温度的关系是非线性的，其具体表达式为[7]

(2)

其中，VG0为0 ℃时硅的带隙电压；T0为参考温度；η为与工艺有关的温度常数；α为集电极电流的温度阶数；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；q为电子电荷量。由式(2)可知，为了获得地温度系数的基准电压，需要对三极管基极-发射极电压VBE的高阶项进行补偿。

2 分段曲率补偿带隙基准

本文设计的分段曲率补偿带隙基准如图2所示，其中MOS晶体管Ms1～Ms5构成启动电路，M1～M3构成曲率补偿电路，MOS晶体管M4～M8、电阻R1～R3、运算放大器A1和A2构成带隙基准核心电路。在核心电路中，运算放大器A1和A2是完全相同的，此处利用运算放大器的虚短特性对其输入端进行钳位，确保运算放大器各输入端的电压相等。

为了克服简并偏置点对基准电路的影响，本文设计了启动电路，其工作原理是：电路上电时，二极管连接的MOS晶体管Ms3和Ms4导通，节点A的电压逐渐增加，从而Ms1和Ms2导通，将M4～M8的栅极电压拉低，基准电路实现启动；当基准电路的输出稳定之后，MOS晶体管Ms5导通，节点A的电压降低，从而Ms1和Ms2截止，启动电路关断，启动完成。

图2 分段曲率补偿带隙基准电路

由图2可知，M2与M3具有相同的栅源电压，本文中通过调节M1与M2的宽长比使M3在整个工作温度范围内始终处于在亚阈值区，因而M3的漏电流INL与其栅源电压VGS满足[8]

(3)

式中，μn为电子迁移率；Cox为单位面积栅氧化层电容；W/L为M3的宽长比；n为亚阈值斜率因子；VT为热电压；VGSn为M3的栅源电压，VTHn为M3的亚阈值电压。

图3为分段曲率补偿带隙基准补偿原理示意图，其中VBE为负温度系数电压，VPTAT为与绝对温度成正比(Proportional to Absolute Temperature, PTAT)的电压，VNL为MOS晶体管M3漏电流INL在电阻R3上产生的电压。由图3可知本文设计的带隙基准的温度补偿原理是：先通过设计使一阶补偿后的基准电压在整个温度范围内呈现负温度系数，然后利用非线性补偿电流INL在电阻R3上产生的电压VNL在高温段对基准电路进行温度补偿，从而获得低温度系数的基准电压。

图3 分段曲率补偿带隙基准补偿原理示意图

综上所述，图2所示带隙基准电路的输出电压Vref可表示为

(4)

式(4)中，VEB1为三极管Q1的发射极-基极电压，m为三极管Q1与Q2的发射极面积之比，本文中取m的值为8，括号中第一项为流过电阻R1的负温度系数电流，第二项为流过电阻R2的正温度系数电流。由式(3)和式(4)可知，通过优化电阻R1、R2以及MOS晶体管M3的宽长比等参数就可以获得低温度系数的基准输出电压。

为了保证带隙基准电路的稳定性以及尽可能节省电路的面积和功耗，本文采用折叠式共源共栅运算放大器，其电路结构如图4所示，其中Vb1～Vb4为偏置电压，由偏置电路提供。MOS晶体管M12～M15构成宽摆幅共源共栅电流镜，在拓宽电路工作范围的同时也提高了输出阻抗，因而该运算放大器电路可获得较高增益。

图4 折叠式共源共栅运算放大器电路

3 电路仿真

在SMIC 0.18 μm CMOS工艺下采用Cadence软件对折叠式共源共栅运算放大器和分段曲率补偿带隙基准进行仿真。图5为折叠式共源共栅运算放大器的频率响应曲线。结果表明，该放大器获得了83.7 dB的低频增益、59.46°的相位裕度和16.03 MHz的单位增益带宽。

图5 折叠式共源共栅运算放大器的频率响应曲线

图6为分段曲率补偿带隙基准电路的温度特性曲线。结果显示，在1.8 V电源电压下，-40～125 ℃的温度范围内，基准电路的输出电压为600 mV，温度系数3.4 ppm/℃。

图6 分段曲率补偿带隙基准的温度特性曲线

图7为分段曲率补偿带隙基准电路的电源抑制比曲线。结果显示，在1 kHz、100 kHz以及1 MHz的频率处，基准电路分别获得了-78.7 dB、-54.9 dB以及-32.5 dB的电源抑制比。

图7 分段曲率补偿带隙基准的电源抑制比曲线

4 结束语

本文提出了一种采用曲率补偿技术的带隙基准，其利用工作在亚阈值区的NMOS管的漏电流与栅源电压的指数关系产生一个非线性电流，在高温段对基准电压进行补偿。本文所设计的带隙基准电路结构简单，且具有较好的温度特性和电源抑制比，可以应用于低压低功耗电路中。

[1] Wan Meilin, Gu Haoshuang, Zhang Zhenzhen. A Sub-1-ppm/°C Curvature-Compensated Bandgap Voltage Reference[C].Xi’an:International Conference on Integrated Circuits and Micro Systems,2016.

[2] Leung C Y, Leung K N, Mok P K T. Design Of A 1.5-V High-Order Curvature-Compensated Cmos Bandgap Reference[J]. Circuits & Systems,2004, 1(1): 48-52.

[3] Malcovati P, Maloberti F, Fiocchi C, et al. Curvature-compensated BiCMOS bandgap with 1-V supply voltage[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2000,36(7): 1076-1081.

[4] Rincon-Mora G, Allen P E. A 1.1-V current-mode and piecewise-linear curvature-corrected bandgap reference[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits,1998,33(10):1551-1554.

[5] 毛伟,张波.一种新型的指数曲率补偿带隙基准源[J]. 微电子学,2006,36(4): 495-497.

[6] 毕查德·拉扎维. 模拟CMOS集成电路设计[M]. 陈贵灿,程军, 张睿智,等,译.西安: 西安交通大学出版社, 2002.

[7] Li J H, Zhang X B, Yu M Y. A 1.2-V piecewise curvature-corrected bandgap reference in 0.5μm CMOS process[J]. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration Systems,2011,19(6):1118-1122.

[8] Huang Y, Cheung C, Najafizadeh L. A multi-piecewise curvature-corrected technique for bandgap reference circuits[C].Chengdu:International Midwest Symposium on Circuits and Systems, IEEE, 2013.

Design of Piecewise Curvature Compensation Bandgap Reference

BAI Yuxin1， LI Yannan2

(1. The Affiliated High School, Xidian University, Xi’an 710071,China;2. School of Photoelectric Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065, China)

Based on SMIC 0.18 μm CMOS process, a low temperature drift bandgap reference voltage source is designed by adopting piecewise curvature compensation technique. The reference voltage is compensated in the high temperature range by non-linear compensation current, which is generated by utilizing the exponential relationship between the drain current and the gate source voltage of the NMOS transistor operating in the subthreshold region. Cadence software is used to design and simulate the reference circuit, and the results show that the designed reference circuit achieves temperature coefficient of 2.7 ppm/℃ in the temperature range of -40～125 ℃, and the power supply rejection ratio of -78.7 dB, -54.9 dB, -32.5 dB at the frequency of 1 Hz, 100 kHz, 1 MHz, respectively.

bandgap reference; piecewise curvature compensation; sub-threshold region

2017- 05- 15

李燕楠(1992-)，女，硕士研究生。研究方向：模拟CMOS集成电路。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.008

TN432

A

1007-7820(2017)12-028-04