基準(zhǔn)電壓源是模擬集成電路中一個至關(guān)重要的模塊,，對系統(tǒng)性能至關(guān)重要?；鶞?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能保持高精度和不因工藝而變化。通常經(jīng)過一階補償后,，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，因此需要對三極管的基極-發(fā)射極電壓進行高階項溫度補償,。

    基于分段線性補償原理,，本文提出的補償方法僅利用一股與溫度呈平方關(guān)系的電流，就同時實現(xiàn)了低溫和高溫段的補償,。
1 補償原理分析
    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行一階補償?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,，在低溫和高溫時表現(xiàn)更明顯,，因此需要加入其他補償。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)成啟動電路。當(dāng)電路處于簡并狀態(tài)時,，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,，整個電路啟動完成,，進入正常工作狀態(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算放大器來鉗位,，使得結(jié)構(gòu)簡單，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)中的第二項是一階項補償,，最后一項是對VBE的二次項補償。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進行二次補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),，就可以既補償高溫又可以補償?shù)蜏?。本設(shè)計中是通過設(shè)置合適的A、B點電壓來設(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償。設(shè)計中利用基準(zhǔn)電壓的分壓設(shè)置A點的電壓,，由于經(jīng)過一階補償后的基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VBE,，B點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點電壓相對于B點是近乎不變的,。設(shè)置A點的電壓在溫度小于T1（一階補償后基準(zhǔn)電壓零溫度系數(shù)的點）時小于VBE，此時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點電壓大于B點電壓，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都可以通過IOUT得到補償,，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)計由C0、R4,、R2和Q2,、Q4組成。當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref升高時,，Q4的基極電位上升,，從而Q2的基極電位也上升，這樣Q2的集電極電流就會增大,，將Q4的基極電位拉低,，Vref就會降低，最后達到穩(wěn)定,。C0用來設(shè)置環(huán)路的相位裕度,。
    本設(shè)計的基準(zhǔn)電壓補償電路結(jié)構(gòu)簡單，對于A點的電位很容易獲取,，B點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，因為其閾值電壓也是隨溫度呈線性下降的[3],，而且可以根據(jù)電路應(yīng)用合理設(shè)置IOUT的中心軸,，來達到最好的補償效果。該結(jié)構(gòu)也可以很容易地移植到其他需要補償?shù)幕鶞?zhǔn)電路中,。
3 仿真結(jié)果與分析
    本設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)電壓電路采用0.5 μm BCD工藝,，用Cadence進行仿真。仿真溫度為-35 ℃～135 ℃,，電源電壓為5 V,。
    圖3和圖4分別是一階補償后的帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度特性和二階補償電流隨溫度變化的曲線。從圖3,、圖4可以看出,，一階補償后的帶隙基準(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),，與一階補償后的基準(zhǔn)電壓溫度特性剛好相反,，且60 ℃時最小，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償和二階補償原理設(shè)計了一種結(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)計要求,。仿真結(jié)果表明，溫度范圍在-35 ℃～135 ℃時,，溫度系數(shù)降至2.82 ppm/℃,。
參考文獻
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