《電子技術應用》
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一種帶有曲率補償?shù)膶捿斎霂痘鶞试丛O計
來源：電子技術應用2013年第9期
張慶嶺，張其營,，崔佳男,，周澤坤，明 鑫,，張 波
電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,，四川 成都610054
摘要： 在傳統(tǒng)的一階帶隙基準電路的基礎上，通過在電路中添加串聯(lián)電阻和NPN型二極管并與電阻并聯(lián)的方法,，實現(xiàn)高階曲率補償,。該電路不僅具有結構簡單、使用器件少的優(yōu)點,，而且還能顯著提高帶隙基準的設計精度,。另外，較寬的輸入電壓范圍(10 V～25 V)有利于此帶隙基準源應用在更寬的領域,。仿真結果表明,，通過華虹NEC 0.35 μm BCD工藝，使用H-spice仿真軟件對該電路仿真,，在0 ℃～80 ℃溫度范圍內,，其帶隙基準的溫度系數(shù)僅為0.501 ppm/℃；在10 V～25 V輸入電壓范圍內,，輸出電壓擺幅為31.49 mV,。
中圖分類號： TN386.3
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)09-0057-04
Design of a wide-input band-gap voltage reference with curvature compensation
Zhang Qingling，Zhang Qiying,，Cui Jia′nan,，Zhou Zekun，Ming Xin,，Zhang Bo
State Key Lab. of Electronic Thin Films and Integrated Device, University of Electronic Science & Technology of China, Chengdu 610054,，China
Abstract： Based on the traditional first-order band-gap reference circuit, the high-order curvature compensation is achieved in this paper by adding series resistors and a NPN-diode, paralleled with a resistor. The circuit not only employs few devices, but also improves the accuracy of the band-gap voltage reference significantly. In addition, the input voltage ranges from 10 V to 25 V，that benefits the band-gap voltage reference applied in wider areas. Based on the HHNEC_BCD350 technology and the simulation results of H-spice software, the results show that the temperature coefficient of band-gap voltage reference is 0.501 ppm/℃ from 0 ℃ to 80 ℃,，and the output voltage swing is 31.49 mV when the input voltage is from 10 V to 25 V.
Key words : high-order curvature compensation,；band-gap voltage reference；wide-input voltage

    模擬集成電路中廣泛包含著電壓基準和電流基準源,。提供參考電平的基準源,，其性能直接影響整體電路的性能穩(wěn)定。因此,，設計寬輸入范圍,、高精度、低溫度系數(shù)的帶隙基準源具有重要意義[1],。

    本文設計了一種高精度基準電壓源,，電路首先使用Wilder結構,，實現(xiàn)高電壓轉化為低電壓，其后為啟動電路,，再接一個帶有高階曲率補償的帶隙基準源,，實現(xiàn)曲率補償，使基準具有低的溫度系數(shù),。
1 帶隙基準電路
    本文提出的帶隙基準電路如圖1～圖3所示,。電路由高壓轉低壓模塊、啟動電路模塊,、帶曲率補償?shù)膸痘鶞屎诵哪K3部分組成,。
1.1 高壓轉低壓模塊
    如圖1所示，本模塊所有MOS管均采用耐高壓器件,，并提出Widlar電路結構,，可以將10 V～25 V高電壓轉換為4.0 V低電壓，供給后續(xù)模塊使用[2-3],。

    (1)啟動階段分析
    VIN電壓逐漸升高,，將會開啟MNDB1與MNDB2管，使得電流流入電阻R3與R4從而開啟三極管NPN1與NPN2,；NPN1的集電極電壓升高,，從而開啟NPN9管，并控制MNDB3管,，使SVIN電壓正確建立,。
    (2)工作原理
    電路啟動后，NPN9為Widlor結構電路提供負反饋,，使環(huán)路穩(wěn)定,；電容C1A提供補償，增加環(huán)路穩(wěn)定性,。如圖1所示,，負反饋回路使NPN1的集電極和NPN2的集電極電流相等。對于一個雙極型器件,，可以得到：
    
1.2 啟動電路模塊
    啟動電路的作用在于使帶隙基準電路脫離簡并點,，使基準電路正常上電工作[4]。如圖2所示,，芯片上電時，MP1,、MP2 和MP3管開啟從而使MP4與MP5支路開啟,，為基準提供電流偏置。此時基準開始啟動,，啟動階段MP10與MP11管形成差分對,，比較LB4與基準輸出電壓VOUT的大小,。在基準建立時LB4上的VBE電壓大于基準輸出電壓VOUT，因此MN3管開啟,。將LB1電位拉低,，如圖3所示，開啟MP12,、MP13和MP14管,。當基準正常工作后，VOUT電壓比LB4電壓高,，關斷MN3,，基準啟動完成。

1.3 帶曲率補償?shù)膸痘鶞屎诵哪K
    傳統(tǒng)的帶隙基準只是對VBE的一次項進行補償,。這種補償精度較低,，一般的傳統(tǒng)的帶隙電壓基準的溫度系數(shù)約為30 ppm/℃，要是帶隙電壓基準的精度繼續(xù)提高,，就必須對VBE的高階進行補償[5],。
    本文設計了一種補償簡單的帶隙基準電路。該電路特點是器件少,，占用面積小,，只需在傳統(tǒng)的帶隙基準電路的基礎上，利用PN結二極管的伏安特性,，通過添加一個串聯(lián)的電阻R13和二極管NPN8,，再與電阻R14并聯(lián)實現(xiàn)。在補償電路中,，晶體二極管兩端電壓被偏置在導通電壓0.7 V左右即可實現(xiàn)高階曲率補償,。
    由晶體二極管的溫度特性可知，二極管兩端正向導通電壓隨著溫度的升高而略有下降,，即晶體二極管正向導通電壓具有負溫度系數(shù)[6-7],。隨著溫度升高，二極管兩端電壓相應降低,，電阻R13兩端電壓略有上升,。正是利用了晶體二極管的這種特性，當補償電流注入PTAT電流后,，抵消了電流中所含的高階非線性項,，實現(xiàn)了高階曲率補償。
    如圖3所示,，由于晶體二極管正向導通電壓具有負溫度特性,，隨著溫度的提高，晶體二極管NPN8導通電壓下降,，通過二極管NPN8電流發(fā)生變化,，與PTPA電流相疊加,，達到高階曲率補償?shù)哪康摹?br/>     LB1與電路啟動模塊相連，啟動完成后,，與啟動模塊斷開,。圖4所示為運放OP1模塊，電路采用電容CC1和調零電阻RC1串聯(lián)補償?shù)姆椒?，可提高電路穩(wěn)定性,。

    下面分析圖3中電阻R13、R14及NPN型二極管對電路的補償作用,。與高壓轉低壓模塊分析方法類似,，電阻R9=R10，VLB5=VLB6,，由式(3)可以得到電阻R11上的電壓

  

 

 

    本文主要設計了一種輸入電壓范圍寬,、高階曲率補償結構簡單、溫度特性較好的帶隙基準源,。在0 ℃～120 ℃溫度范圍內,，其基準溫度系數(shù)為0.501 ppm/℃；在輸入10 V～25 V時,，輸出電壓擺幅為31.49 mV,。從而實現(xiàn)了輸入電壓范圍較寬、精度較高的設計要求,，適用于對精度要求較高的A/D,、D/A轉換器等元件中[8]。
參考文獻
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