基準(zhǔn)電壓源是模擬集成電路中一個(gè)至關(guān)重要的模塊,，對(duì)系統(tǒng)性能至關(guān)重要,。基準(zhǔn)電壓源不僅要求在電源電壓變化的情況下保持穩(wěn)定,，而且要求在溫度變化時(shí)能保持高精度和不因工藝而變化,。通常經(jīng)過一階補(bǔ)償后，帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)約為20 ppm/℃～30 ppm/℃,，但是還不能滿足高精度的要求,，因此需要對(duì)三極管的基極-發(fā)射極電壓進(jìn)行高階項(xiàng)溫度補(bǔ)償。

    基于分段線性補(bǔ)償原理,，本文提出的補(bǔ)償方法僅利用一股與溫度呈平方關(guān)系的電流,，就同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低溫和高溫段的補(bǔ)償。
1 補(bǔ)償原理分析
    傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源是利用三極管基極-發(fā)射極電壓VBE隨溫度下降與用正溫度系數(shù)電流流過電阻而轉(zhuǎn)換成的電壓疊加來進(jìn)行一階補(bǔ)償?shù)腫1-3],。由于VBE與溫度為非線性關(guān)系[4-5],，而且還包括高階項(xiàng)，在低溫和高溫時(shí)表現(xiàn)更明顯,，因此需要加入其他補(bǔ)償,。利用泰勒公式將VBE展開得到[4]：
    

2 整體電路結(jié)構(gòu)
    完整的帶曲率校正的帶隙基準(zhǔn)電路圖如圖2所示。MP8,、MP9,、R7,、MN6、MN7和R8構(gòu)成啟動(dòng)電路,。當(dāng)電路處于簡(jiǎn)并狀態(tài)時(shí),，MN6和MN7開通，MP9的柵極電位被拉低并且導(dǎo)通,，隨后MP8的柵極電位也被拉低,，MP8導(dǎo)通，電流注入Q4的基極,，整個(gè)電路啟動(dòng)完成,，進(jìn)入正常工作狀態(tài)?；鶞?zhǔn)電壓核心由Q0,、Q1、Q4,、Q5和R1～R4構(gòu)成,。Q3和Q2將Q0和Q1集電極鉗位在一個(gè)基極-發(fā)射極電位上，避免因集電極電位不等而產(chǎn)生厄爾效應(yīng),，使Q0和Q1的集電極電流不等，這樣就省去了使用運(yùn)算放大器來鉗位,，使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，功耗小。

    R1～R4的阻值相等,，根據(jù)電阻兩端的電位相等可以推出Q0和Q1 的集電極電流相等,。忽略基極電流，可以得出R0上的PTAT電流為：
  
    式(7)中的第二項(xiàng)是一階項(xiàng)補(bǔ)償,，最后一項(xiàng)是對(duì)VBE的二次項(xiàng)補(bǔ)償,。通過設(shè)置合適的R1、R3得到最優(yōu)的溫度系數(shù),，調(diào)節(jié)IOUT進(jìn)行二次補(bǔ)償就可以得到溫度系數(shù)很好的帶隙基準(zhǔn)電壓,。
    如果IOUT設(shè)置恰當(dāng)，就可以既補(bǔ)償高溫又可以補(bǔ)償?shù)蜏?。本設(shè)計(jì)中是通過設(shè)置合適的A,、B點(diǎn)電壓來設(shè)置IOUT隨溫度變化曲線的中心線，使得IOUT曲線中心軸正好是一階補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓溫度曲線的中心軸,，這樣可以得到較好的補(bǔ)償,。設(shè)計(jì)中利用基準(zhǔn)電壓的分壓設(shè)置A點(diǎn)的電壓，由于經(jīng)過一階補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VBE,，B點(diǎn)連接在三極管的基極,，且VBE隨溫度增大而下降,，所以可認(rèn)為A點(diǎn)電壓相對(duì)于B點(diǎn)是近乎不變的。設(shè)置A點(diǎn)的電壓在溫度小于T1（一階補(bǔ)償后基準(zhǔn)電壓零溫度系數(shù)的點(diǎn)）時(shí)小于VBE,，此時(shí)MP0的電流大于MP2,，IOUT約等于MP0的漏極電流，且隨著溫度偏離T1越大,，IOUT就越大,；當(dāng)溫度大于T1后，A點(diǎn)電壓大于B點(diǎn)電壓,，IOUT約等于MP2的漏極電流,，且隨著溫度的增加而增大，如圖3所示,。這樣,，帶隙基準(zhǔn)電壓源在低溫和高溫時(shí)都可以通過IOUT得到補(bǔ)償，最優(yōu)化后可以得到很好的溫度系數(shù),。

    反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)由C0,、R4、R2和Q2,、Q4組成,。當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref升高時(shí)，Q4的基極電位上升,，從而Q2的基極電位也上升,，這樣Q2的集電極電流就會(huì)增大，將Q4的基極電位拉低,，Vref就會(huì)降低,，最后達(dá)到穩(wěn)定。C0用來設(shè)置環(huán)路的相位裕度,。
    本設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，對(duì)于A點(diǎn)的電位很容易獲取，B點(diǎn)可以從任何帶三極管的基準(zhǔn)電路中得到,，即使是MOS管也可以,，因?yàn)槠溟撝惦妷阂彩请S溫度呈線性下降的[3]，而且可以根據(jù)電路應(yīng)用合理設(shè)置IOUT的中心軸,，來達(dá)到最好的補(bǔ)償效果,。該結(jié)構(gòu)也可以很容易地移植到其他需要補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電路中。
3 仿真結(jié)果與分析
    本設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電壓電路采用0.5 μm BCD工藝,，用Cadence進(jìn)行仿真,。仿真溫度為-35 ℃～135 ℃，電源電壓為5 V,。
    圖3和圖4分別是一階補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度特性和二階補(bǔ)償電流隨溫度變化的曲線,。從圖3,、圖4可以看出，一階補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)電壓在低溫段正溫度系數(shù)稍大,，高溫段負(fù)溫度系數(shù)過大,；而二階補(bǔ)償電流IOUT是溫度的平方函數(shù)，低溫段負(fù)溫度系數(shù)大于正溫度系數(shù),，高溫段正溫度系數(shù)大于負(fù)溫度系數(shù),，與一階補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓溫度特性剛好相反，且60 ℃時(shí)最小,，兩頭較大,，偏離60 ℃越遠(yuǎn)，IOUT就越大,?？梢院芎玫靥岣呋鶞?zhǔn)電壓的低溫段和高溫段溫度特性。

    圖5是經(jīng)過二階補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)電壓源隨溫度的變化關(guān)系曲線圖,。從圖中可以得知,，經(jīng)過二階補(bǔ)償后，電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)大大改善,，溫度系數(shù)降至2.82 ppm/℃,。

    本文利用分段線性補(bǔ)償和二階補(bǔ)償原理設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其溫度系數(shù)特性好,，易
于移植到其他電壓基準(zhǔn)電路中,，并且電源抑制比也符合設(shè)計(jì)要求。仿真結(jié)果表明,，溫度范圍在-35 ℃～135 ℃時(shí)，溫度系數(shù)降至2.82 ppm/℃,。
參考文獻(xiàn)
[1] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社,，2003：312-314.
[2] MEIJER G C M，SCHMALE P C,，ZALINGE K V.A new curvature conrrected bandgap reference[J].IEEE J.Solid  State Circuit,，1982，SC-17(11)：1139-1143.
[3] SONG B S,，GRAY P R.A precision curvature-compensated  CMOS bandgap reference[J].IEEE J.Solid State  Circuit,，1983，18(6)：634-643.
[4] LEUNG C Y,，LEUNG K N.Design of a 1.5 V high order  curvature compensated COMS bandgap reference circuits and  systems[C].ISCA′04,，Proceeding of the 2004 Internationl Symposium，2004.
[5] LEE I Y,，KIM G D,，KIM W C.Exponential curvature compensated BiCMOS bandgap references[J].IEEE J.Solid State Circuit,，1994，29(11)：1396-1403.
[6] 張春茗,，邵志標(biāo).高精度分段曲率校正CMOS帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)[J].電子學(xué)報(bào),，2007，35(11)：2193-2197.