摘 要： 介紹了一種低溫漂的BiCMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源及過溫保護(hù)電路,。采用Brokaw帶隙基準(zhǔn)核結(jié)構(gòu),，通過二階曲率補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種在-40℃～+160℃的溫度變化范圍內(nèi)溫度系數(shù)為25ppm/K,、輸出電壓為1.2±0.000 5V的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路,。電源電壓抑制比典型情況下為72dB。這種用于內(nèi)部集成的帶熱滯回功能的過溫保護(hù)電路,，過溫關(guān)斷閾值溫度為160℃,，溫度降低，安全開啟閾值溫度140℃,，設(shè)計(jì)的熱滯回差很好地防止了熱振蕩現(xiàn)象,。
關(guān)鍵詞： Brokaw帶隙基準(zhǔn)；溫度曲率補(bǔ)償,；過溫保護(hù),；熱滯回
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在集成電路設(shè)計(jì)中，如電源管理芯片,、A/D或D/A轉(zhuǎn)換器,，都要求片內(nèi)集成高精度電壓基準(zhǔn)源。由于帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠?qū)崿F(xiàn)高電源抑制比(PSRR)和低溫度系數(shù),，這種電路結(jié)構(gòu)是目前各種基準(zhǔn)電壓源電路中性能最佳的拓?fù)湫问?SUP>[1-2],。考慮到在一些高精度應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)溫度系數(shù)的要求非常高,，故在本設(shè)計(jì)中考慮了以簡(jiǎn)單方式實(shí)現(xiàn)溫度特性的二階曲率補(bǔ)償,。
另外，在功率集成電路中,，電路耗散的功率大,，聚集的熱量會(huì)使芯片的溫度升高，因此必須設(shè)置過溫保護(hù)電路(OTP),。芯片溫度超過允許值時(shí),，保護(hù)電路自動(dòng)將功率通路切斷，直至溫度下降至安全工作區(qū),，電路才能重新開始工作[3],。本文首先提出了一種無需運(yùn)算放大器的Brokaw結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)電路，分析其工作過程和原理,，同時(shí)對(duì)溫度特性的二階曲率補(bǔ)償原理和電路實(shí)現(xiàn)作了分析,；然后介紹一種帶熱滯回功能的過溫保護(hù)電路。最后給出了本設(shè)計(jì)基于UMC 0.6μm BCD工藝在Hspice環(huán)境下的仿真分析結(jié)果。
1 帶隙基準(zhǔn)基本原理
帶隙基準(zhǔn)源是根據(jù)硅材料的帶隙電壓與電源電壓和溫度無關(guān)的特性,，通過電阻網(wǎng)絡(luò)將熱電壓VT放大K倍,，利用VT的正溫度系數(shù)（室溫下，
）與雙極型晶體管(BJT)基-射極電壓VBE的負(fù)溫度系數(shù)（室溫下,，
）相互抵消,，實(shí)現(xiàn)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓[1]。適當(dāng)選擇放大倍數(shù)K,，使兩個(gè)電壓的溫度系數(shù)完全抵消,，即可得到在某一溫度下具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓VREF=VBE+KVT。
如圖1熱電壓VT一般由兩個(gè)集電極電流相等而發(fā)射極面積不同的晶體管基-射極電壓之差ΔVBE提供,。假設(shè)Q1和Q2為兩個(gè)同質(zhì)晶體管,，Q2的發(fā)射極面積是Q1的發(fā)射極面積的N倍，則有ΔVBE=VBE2-VBE1=VTlnN,。
帶隙基準(zhǔn)源的誤差主要由運(yùn)放的輸入失調(diào),、有限增益和電流鏡失配等因素引起[2-3]。而這些因素最終都導(dǎo)致兩個(gè)晶體管集電極電流不相等,，從而給基準(zhǔn)電壓帶來誤差。圖1中利用理想高增益運(yùn)放構(gòu)成的深度負(fù)反饋結(jié)構(gòu)使得集電極電流I1和I2始終相等,，維持運(yùn)放兩輸入端電壓相等,，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的基準(zhǔn)輸出。實(shí)際中,，由于器件不對(duì)稱性,，運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓VOS總是存在的，輸入失調(diào)電壓對(duì)基準(zhǔn)輸出的影響可以表示為：
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式中,，V-為運(yùn)放反相端電壓,，VOS本身還是溫度的函數(shù)，受溫度影響的誤差也將進(jìn)一步被引入到基準(zhǔn)電壓,。此外,，由于運(yùn)放的電源電壓抑制比有限，電源電壓波動(dòng)也會(huì)對(duì)基準(zhǔn)電壓輸出產(chǎn)生較大影響,?；谝陨峡紤]，在此提出一種帶曲率補(bǔ)償無運(yùn)放的Brokaw基準(zhǔn)電壓源,。該結(jié)構(gòu)由電流鏡實(shí)現(xiàn)電流匹配,，并且?guī)逗诵碾娐房梢院芎玫睾碗娫措妷合喔綦x，減小電源電壓波動(dòng)造成的影響,。
2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖2所示為完整的帶隙基準(zhǔn)和過溫保護(hù)電路,。主要包括四個(gè)部分：基準(zhǔn)啟動(dòng)電路；Brokaw帶隙基準(zhǔn)核；曲率補(bǔ)償電路,；熱關(guān)斷及滯回電路,。
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2.1 Brokaw帶隙基準(zhǔn)電路
Brokaw帶隙基準(zhǔn)電壓源[4]是1974年由A.Paul Brokaw在Widlar帶隙基準(zhǔn)電壓源的基礎(chǔ)上提出來的。與Widlar帶隙基準(zhǔn)電壓源相比較而言,，Brokaw基準(zhǔn)可以產(chǎn)生兩倍的PTAT電流,，減小了Q1和Q2大的發(fā)射區(qū)面積比所帶來的器件失配，具有更好的電壓溫度特性,。有別于傳統(tǒng)的帶運(yùn)放的Brokaw帶隙基準(zhǔn),，本設(shè)計(jì)直接采用電流鏡MP1、QP2,、QP3使得流過QN2,、QN3的集電極電流相等。QN3的有效發(fā)射區(qū)面積是QN2的8倍,。所以基準(zhǔn)輸出電壓為：
調(diào)節(jié)式(2)中的電阻比值即可得到近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸出,。圖2中，MP1既可以起到電流鏡像的作用,，同時(shí),，還將帶隙核與電源電壓相隔離，增大電源電壓抑制比(PSRR),。C1的作用是將電源電壓經(jīng)過QN5耦合到QN2集電極的小信號(hào)紋波濾除,。由于其他節(jié)點(diǎn)的寄生電容非常小，環(huán)路主極點(diǎn)可以近似由C1和QP1基極串入的等效阻抗決定,。該單極點(diǎn)系統(tǒng)具有相位裕度大的優(yōu)點(diǎn),。QN9的基極和QN5射極相連使得QN3、QP3,、QN5形成一個(gè)閉合的負(fù)反饋環(huán)路,，以穩(wěn)定VREF輸出電壓。由于除了基準(zhǔn)輸出VREF以外,，系統(tǒng)還需求一個(gè)0.925V的比較閾值基準(zhǔn)電壓,，如圖2電壓VTH1由VREF經(jīng)過R6、R7分壓得到,。
2.2 二階曲率補(bǔ)償
一般在簡(jiǎn)單的帶隙基準(zhǔn)電壓源中,，溫度補(bǔ)償只采用一階的。但實(shí)際中,，特別是在要求溫度跨度范圍比較大的應(yīng)用中,，要保證整個(gè)溫度范圍內(nèi)溫度特性都比較好，二階曲率補(bǔ)償就顯得尤為重要,。因?yàn)锽JT的VBE電壓與溫度的關(guān)系不是線性的,，根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]
式中,，VBG0是在溫度為0K時(shí)外推得到的PN結(jié)二極管電壓，T是絕對(duì)溫度,，T0是參考溫度,，VBE0是在溫度為T0時(shí)的發(fā)射結(jié)電壓，η是與工藝有關(guān)且與溫度無關(guān)的常數(shù),，α的值與集電極電流IC的溫度特性有關(guān)(當(dāng)IC是與溫度成正比的PTAT電流時(shí),，α=0；當(dāng)IC與溫度無關(guān)時(shí),，α=1),。由式(3)可知，VBE中與溫度相關(guān)的非線性項(xiàng)為TlnT,。將式(3)按泰勒級(jí)數(shù)展開為：
式中,，a0～an為常數(shù)?？梢?，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路只消除了VBE中與溫度相關(guān)的一次項(xiàng)，因此使輸出具有高階的溫度相關(guān)性,。要降低輸出電壓的溫度系數(shù),，就需要對(duì)VBE中與溫度相關(guān)的非線性項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)中采用了一種簡(jiǎn)單有效的曲率補(bǔ)償方式,，具有器件少,、占用面積小、補(bǔ)償效果明顯,、適于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。圖2中QN4和R5的作用就是在高溫時(shí)對(duì)基準(zhǔn)輸出進(jìn)行二階曲率補(bǔ)償,。一般的帶隙基準(zhǔn)輸出電壓的溫度特性是一個(gè)開口向下的二次拋物線波形,，在高溫時(shí)它會(huì)隨著溫度的升高而急劇下降。一般情況下最高溫度要求為85℃,，此時(shí)基準(zhǔn)輸出電壓降低得不是很多,，能夠滿足要求，但在本設(shè)計(jì)中過熱保護(hù)的門限溫度較高(160℃),，要求此時(shí)基準(zhǔn)輸出電壓仍能滿足要求,，所以這里就需要對(duì)基準(zhǔn)的高溫特性作改進(jìn)。當(dāng)溫度較低時(shí),，R3上的壓降較小,，使得QN4沒有電流流過。隨著溫度升高,，R3上的PTAT壓降也會(huì)升高,，在某一門限值處QN4開始導(dǎo)通，它的發(fā)射極電流作用在R4上，使基準(zhǔn)電壓在高溫時(shí)抬高,，以此來修正其二階系數(shù),。R5的射極衰減作用是將QN4的射極電流限定在一個(gè)合適的值，如果補(bǔ)償電流過大,，在160℃附近的基準(zhǔn)輸出電壓就會(huì)過高,。
2.3 啟動(dòng)電路
為了避免基準(zhǔn)電路在電源上電后始終保持在初始零電流狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路來擺脫初始的“簡(jiǎn)并”偏置點(diǎn),，迅速建立在穩(wěn)定工作點(diǎn)上[6],。圖2中QN1和R1組成了基準(zhǔn)的啟動(dòng)電路。QN1的基極外接基準(zhǔn)使能信號(hào)REF_EN,，當(dāng)該信號(hào)變高為有效時(shí),，基準(zhǔn)建立之初流過R1的電流很小，所以MP1,、MP2,、MP3的柵極都被拉低，使得有電流流過這三條支路,，擺脫了零電流的初始狀態(tài),，基準(zhǔn)迅速建立?；鶞?zhǔn)電壓正常后流過R1的電流增大,，QN1基-射極電壓降低，流過QN1的電流減小,，啟動(dòng)過程完成,。
2.4 過溫保護(hù)電路
在輸出負(fù)載電流變大等情況下可能使得芯片內(nèi)部溫度激增，需要設(shè)計(jì)過溫保護(hù)電路,。同時(shí),，在過溫保護(hù)閾值點(diǎn)附近可能出現(xiàn)反復(fù)關(guān)斷開啟的熱振蕩現(xiàn)象，需要過溫保護(hù)電路具有熱滯回（Thermal Threshold Hysteresis）功能[1],。系統(tǒng)對(duì)過溫保護(hù)功能模塊提出的要求是：當(dāng)內(nèi)部溫度高于160℃時(shí),，過溫保護(hù)電路輸出信號(hào)OTP-OUT由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑P(guān)斷芯片內(nèi)其他模塊,，防止過溫?zé)龤?；?dāng)溫度降至低于160℃后OTP-OUT不會(huì)迅速變高，而是要經(jīng)過20℃的滯回量,，在低于140℃后過溫保護(hù)中止,，OTP-OUT變?yōu)楦唠娖剑酒謴?fù)正常工作,。設(shè)計(jì)滯回量的目的就是要防止在過溫閾值附近出現(xiàn)的熱振蕩現(xiàn)象,。如圖2的過溫關(guān)斷和滯回電路部分,。MP2、MP3為整個(gè)過熱保護(hù)電路提供偏置電流,，C2作為反相器鏈輸入濾波電容能夠減小QN8集電極電壓波動(dòng)對(duì)輸出的影響,，二極管連接的QN6是為QN7的基-射極鉗制一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷海沟肣N7能夠充分導(dǎo)通,，MP4可以加速反相器INV2的導(dǎo)通,。當(dāng)芯片溫度低于160℃時(shí)，QN7,、RT1,、RT2支路偏置的QN8基極電壓小于其導(dǎo)通閾值VBEON(QN8)，QN8處于關(guān)斷狀態(tài),，QN8的集電極電壓為高,，經(jīng)過二級(jí)反相器后OTP_OUT輸出為高電平，表示工作溫度正常,。OTP_OUT反饋回來控制MN1柵極,，此時(shí)MN1導(dǎo)通，RT3被短路,。忽略MN1的導(dǎo)通電阻,，QN8的基極電壓可近似表示為：
式中，ID為QN7的集電極電流,。
當(dāng)芯片溫度高于160℃時(shí),，由于QN8的基-射極電壓為負(fù)溫度系數(shù)，此時(shí),，VB(normal)>VBEON(QN8),，QN8導(dǎo)通，集電極被拉低,，OTP_OUT輸出變低,，MN1關(guān)斷，由此,，QN8基極電壓變?yōu)椋?BR> 
可見，VB(off)>VB(normal),，即當(dāng)溫度升高到關(guān)斷溫度后,，QN8基極電壓升高，需要更大的VBEON(QN8)才能關(guān)斷QN8,。也就是說,，由于基-射極電壓的負(fù)溫度特性，需要比160℃更低的溫度才能使OTP_OUT輸出變?yōu)楦唠娖?。?dāng)溫度稍微下降時(shí),，由于VB(off)較高,，而VBEON(QN8)變化不大，所以QN8繼續(xù)導(dǎo)通,。在消除導(dǎo)致芯片過熱因素后,，芯片溫度下降到足夠低，此時(shí)VBEON(QN8)相對(duì)較高,，VB(off)已經(jīng)不足以使QN8導(dǎo)通,，截止后的QN8集電極輸出為高，電路恢復(fù)正常工作,。這種利用關(guān)斷前后的電壓差值以及BJT基-射極電壓負(fù)溫度系數(shù)特性的滯回電路很好地防止了熱振蕩,。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，電路在溫度高于160℃時(shí)關(guān)斷,，下降到140℃時(shí)恢復(fù)工作,，通過調(diào)節(jié)分壓電阻的比值即可設(shè)置精確的電壓閾值。根據(jù)以上分析可以得到以下關(guān)系：
3 仿真結(jié)果與討論
本設(shè)計(jì)基于UMC 0.6μm_5V_30V_2P2M_P_SUB BCD工藝,，采用Hspice仿真分析,。
圖3 為帶隙基準(zhǔn)在電源電壓為2.5V、4.5V,、6V下的溫度特性,，在-40℃～+160℃寬范圍內(nèi)，相對(duì)溫度系數(shù)約25ppm/K,?？梢詮膱D上看到溫度曲線在高溫時(shí)的補(bǔ)償效果，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)基準(zhǔn)中心值保持在設(shè)計(jì)要求值,。
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圖4 為隨電源電壓變化特性,，室溫下，在2.5V～6V范圍,，輸出基準(zhǔn)電壓1.2±0.000 5V,。電源電壓抑制比(PSRR)在典型電源電壓4.5V條件下為72.2dB。
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圖5為基準(zhǔn)啟動(dòng)過程,，隨著電源電壓增高,，當(dāng)達(dá)到最低啟動(dòng)電壓后，基準(zhǔn)輸出迅速建立,，如圖建立時(shí)間約2.5μs,。圖6表示過溫保護(hù)效果，圖6(a)掃描溫度從-40℃到+170℃,，過溫關(guān)斷(otp_out由高變低)閾值為160℃,，圖6(b)掃描溫度從+170℃到-40℃，滯回開啟（otp_out由低變高）閾值140℃,，滯回裕量符合設(shè)計(jì)要求,，關(guān)斷開啟迅速,。所有條件下仿真結(jié)果表明，閾值溫度變化范圍為1℃,。
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本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的這種帶曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)和過溫保護(hù)電路,，利用簡(jiǎn)單的二階曲率補(bǔ)償方式，基準(zhǔn)電壓在整個(gè)寬溫度范圍內(nèi)都能穩(wěn)定,。過溫保護(hù)模塊固有的滯回裕量可以很好地防止熱振蕩,，同時(shí)可以保證高的溫度靈敏度。在UMC 0.6μm BCD工藝下仿真結(jié)果表明,，與同類寬電源電壓,、寬溫度范圍基準(zhǔn)電路性能相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、精度高,、低功耗、易于集成等特點(diǎn),，非常適合集成在各類型電源管理芯片中,，并已實(shí)際應(yīng)用于一款高壓同步BUCK芯片。
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