文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)06-0045-02
0 引言
在高精度集成電路系統(tǒng)中,低溫度系數(shù)﹑低工作電壓基準(zhǔn)源的設(shè)計十分重要,,基準(zhǔn)電壓的溫度特性直接影響電路精度和性能,。本文根據(jù)低溫度系數(shù)﹑低工作電壓的要求,基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計,,采用低壓運算放大器,,提出了溫度曲率校正的方法,最終實現(xiàn)了低溫度系數(shù)﹑低工作電壓的CMOS帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計,。經(jīng)過仿真驗證,,電源電壓在1.3 V時電路可以正常工作,輸出電壓的平均溫度系數(shù)約為2.2 ppm/℃,。
1 一階溫度補償電路
如圖1所示,,電路中采用了一種低電壓運算放大器進行鉗位,保證M,、N電壓近似相等,。電路設(shè)計器件M1、M2,、M3的尺寸相同,,Q1和Q2的發(fā)射極面積為M:1,電阻R1=R2,。
由于:VM=VN,、R1=R2、I1=I2=I3,,所以:I1a=I2a,、I1b=I2b
I1a=VBE1/R1、I1b=I2b=(VBE1-VBE2)/R3=VT ln M/R3
I3=I1=I2=I1a+I1b=VBE1/R1+VT ln M/R3
輸出電壓:
從式(1)可知,,VBE1為負(fù)溫度系數(shù)電壓,,VT ln M為正溫度系數(shù)電壓,所以輸出電壓VOUT為一個經(jīng)過一階溫度補償?shù)碾妷?,可以通過調(diào)整電阻比值和系數(shù)M調(diào)整輸出電壓VOUT的大小和精度,。
2 曲率補償
圖1所示的電路并不能滿足對高精度基準(zhǔn)源輸出的要求,原因是雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE,即PN結(jié)二極管的正向電壓是負(fù)的高階溫度系數(shù),,一階溫度補償電路不能消除高階溫度系數(shù)影響,,要減少帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù),必須消除高階溫度系數(shù)的影響,。曲率校正電路如圖2所示,。
圖2中M4、M5,、M10,、M11、R5構(gòu)成偏置電路,,M10,、M11工作在亞閾值工作區(qū),利用MOS器件的亞閾值特性為C點提供正溫度系數(shù)的偏置電壓,,C點提供正溫度系數(shù)的偏置電壓,,器件M6、M7,、M8,、M9的電流是溫度的高階函數(shù)。設(shè)計M7和M9尺寸相同,,進而電流I7=In,。
VD=VT ln(Ic/ISS),VE=VT ln[(Id+In)/ISS]
在D,、E兩點產(chǎn)生電壓差,,In×R4=(VD-VE)=VT ln[(Id+In)/ISS]。
In對溫度求偏導(dǎo)得:
由式(2)可知,,將高階溫度補償電流In引入到一級溫度補償電路作為補償電流,,輸出電壓式(1)調(diào)整為:
式(3)中,In是溫度的高階函數(shù)電流,,通過調(diào)節(jié)補償電流的大小可以調(diào)節(jié)VOUT的高階溫度系數(shù),。
3 電路仿真
如圖3所示,電源電壓VCC為1.8 V,,溫度掃描范圍為-20 ℃~120 ℃,,一階溫度補償電路輸出電壓平均溫度系數(shù)為11 ppm/℃。
如圖4所示,,電源電壓VCC為1.8 V,,溫度掃描范圍為-20 ℃~120 ℃。從圖中可以看到補償電流是溫度的高階函數(shù),。
如圖5所示,,經(jīng)過曲率校正電路校正,,電源電壓VCC為1.8 V,溫度掃描范圍為-20 ℃~120 ℃,,輸出電壓平均溫度系數(shù)為2.2 ppm/℃,。
如圖6所示,在27 ℃環(huán)境下,,對電源電壓進行DC掃描,電源電壓大于1.3 V電路就可正常工作,。
比較圖3和圖5所示的Hspice仿真結(jié)果,,可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過曲率校正電路對輸出電壓進行高階溫度補償,使得輸出電壓平均溫度系數(shù)從原來的11 ppm/℃減小到2.2 ppm/℃,,輸出電壓具有更高的輸出精度,。圖6所示,在27 ℃環(huán)境下,,電源電壓在1.3 V時電路就可以正常工作了,。
參考文獻
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