0 引言

    帶隙基準(zhǔn)作為模擬電路中的重要的組成模塊,，應(yīng)用于很多領(lǐng)域,，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、線性穩(wěn)壓器,、DC-DC轉(zhuǎn)換器,、存儲器等。低功耗、低溫漂已成為帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)中的熱點(diǎn)與難點(diǎn),。在以往的研究中,，多數(shù)設(shè)計(jì)僅實(shí)現(xiàn)其中一個方面^[1-3]。一些低功耗的設(shè)計(jì),，其溫度系數(shù)較差或溫度范圍較窄,；一些高精度的設(shè)計(jì)則往往伴隨著復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)與高功耗。本文設(shè)計(jì)了一款低功耗且低溫漂的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),。

1 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)

    傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)如圖1所示,，圖中由MN3、MN2,、MP5與MP6構(gòu)成啟動電路,，當(dāng)電路中存在0的簡并點(diǎn)時，運(yùn)放輸入端為低電位而輸出端為高電位,，此時電流為0,，MP3漏極為低電位使得MN3關(guān)斷并在其漏極形成高電位，通過反向器控制MP6導(dǎo)通注入電流,，使得整個環(huán)路開啟,，開啟后MN3導(dǎo)通使得MP6關(guān)斷。

    環(huán)路正常工作時,，由運(yùn)放輸入端鉗制Q1的發(fā)射極與電阻R₀的上端電位相等,，降落在R₀的壓降可以表示為：

    其中ΔV_be為雙極性晶體管Q0與Q1的發(fā)射極電位差，N為Q0與Q1的比值,。此電位差具有正的溫度系數(shù),，且電流復(fù)制到MP3的漏級，在電阻R₁上的壓降為：

    η為工藝參數(shù),，x為電流依賴于溫度的階數(shù),，T_r為參考溫度，恒流下V_be隨溫度的變化曲線如圖2所示,。

    由式(4)與式(5)可得：

    若令式(3)中：

則在溫度T_r附近表現(xiàn)為零溫度系數(shù),，而在此溫度T_r前表現(xiàn)為正溫度特性，在溫度T_r后表現(xiàn)為負(fù)溫度特性,。故傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)曲線為拋物線型,。

2 低溫漂低功耗實(shí)現(xiàn)方法

    在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于運(yùn)放消耗了大量的電流,，可以通過圖3的方式降低功耗,，并通過引入隨溫度變化的阻抗降低溫漂。圖中MN6,、MN7,、MP8,、MP9構(gòu)成啟動電路，由MN/P1,、MN/P2,、MN/P3、MN/P4構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)使得MN1,、MN2源極電位相等,，以此減少了大量的支路節(jié)省了電流。

    圖3中的MP7管與一串串聯(lián)的二極管及MN5實(shí)現(xiàn)了隨溫度漸變的阻抗,，當(dāng)采取足夠多的N個二極管串聯(lián)時,，忽略MP7的阻抗，則每個二極管分壓為V_DD/N,，使得每個二極管的分壓小于其開啟電壓,，而二極管的內(nèi)建電勢差，即開啟電壓可以表示為：

    可見結(jié)電壓隨溫度線性的減小,，系數(shù)約為-2 mV/℃,，則在此電路中，由下向上的第n個二極管表現(xiàn)為-2n mV/℃的溫度特性,。

    綜上所述，當(dāng)溫度較低時每個二極管壓降恒定為V_DD/N,，當(dāng)溫度達(dá)到一定值使得二極管開啟時,，此時二極管壓降隨溫度線性地下降。圖4為圖3中串聯(lián)二極管各節(jié)點(diǎn)的溫度掃描仿真結(jié)果,。

    在圖3中R₂為一阻值較小的電阻,，其上壓降較小，故MN5工作在深線性區(qū),，此時的MN5阻抗可以表達(dá)為：

    此阻抗可以近似為V_GS的一元函數(shù),，當(dāng)V_GS減小時，阻值變大,。

    將二極管P端的電位作為此線性區(qū)MOS的控制信號,，則可以實(shí)現(xiàn)阻抗在超過某一溫度后逐漸增大，而在此溫度之前保持不變,。通過對此MOS管的寬長比設(shè)計(jì)可以控制阻值的變化率,。隨著V_GS的減小，R_on的進(jìn)一步增大,，而R_on與R₂的串聯(lián)整體阻抗將不會超過R₂,，忽略亞閾值效應(yīng)，即：

    式(13)中的R₂||R_on5會在二極管開啟溫度之前保持恒定阻抗不變,，而在二極管開啟后阻抗隨溫度逐漸增大最終逼近極限值R₂,。故使得溫漂曲線在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)基礎(chǔ)上,，表現(xiàn)為負(fù)溫度特性后由于阻抗的增加電壓回升，在此阻抗逼近極限后失去調(diào)節(jié)能力又使得電壓回落,。傳統(tǒng)帶隙的溫漂曲線與本次設(shè)計(jì)的帶隙溫漂曲線對比簡圖如圖5所示,。

    圖3中帶隙基準(zhǔn)電路在功耗上仍可以繼續(xù)優(yōu)化，其電路如圖6所示,。將MP5與MP6去掉并做成折疊共源共柵結(jié)構(gòu),，減小了一個支路的電流，若MP2與MP6尺寸相等,，MP4與MP8尺寸相等,，則此兩路電流均分了流過Q0的電流。改進(jìn)后的輸出電壓為：

3 帶隙基準(zhǔn)仿真

    本次帶隙基準(zhǔn)采取標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm工藝,，圖7為輸出參考電壓隨溫度的變化曲線,。

    仿真結(jié)果表明，在溫度達(dá)到9.4 ℃時,，出現(xiàn)第一個極值點(diǎn),，此溫度下的正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)相等表現(xiàn)為零溫度系數(shù)，隨后輸出隨溫度下落,，當(dāng)溫度達(dá)到81.6 ℃時,，二極管滿足開啟條件，使得MN5的柵極電壓逐漸下降,，阻抗上升,，導(dǎo)致降落在R₃兩端的壓降隨溫度升高，使得輸出電壓回升1.3 mV,，并在溫度達(dá)到112 ℃時,，R₃與MN5的并聯(lián)阻抗達(dá)到極限，而V_be的非線性使得輸出隨溫度再次下落,。

    根據(jù)溫漂計(jì)算公式(單位ppm/℃)：

    溫漂曲線最大值為1.216 9 V,，最小值為1.215 4 V，溫度范圍為-40 ℃~150 ℃,，通過計(jì)算得出溫度系數(shù)為6.49 ppm/℃,。

    圖8 Monte Carlo仿真展示了參考電壓隨工藝偏差變化的分布，在采樣點(diǎn)為200的情況下,，參考電壓均值為1.2170 2 mV,，方差為14.109 1 mV，表明了較好的魯棒性,。

    圖9為帶隙基準(zhǔn)的電源抑制比仿真結(jié)果,，其掃描頻率范圍為1 Hz~1 GHz，在低頻時電源抑制比為38 dB,，最差的情況出現(xiàn)在頻率557 kHz下的36 dB,。

    圖10為帶隙基準(zhǔn)的版圖設(shè)計(jì),，圖11為帶隙基準(zhǔn)的后仿真結(jié)果，對比于前仿真中的結(jié)果,，由于寄生電阻效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓隨溫度曲線整體上移,，而輸出隨溫度變化趨勢與前仿真中結(jié)果保持一致，計(jì)算溫度系數(shù)為6.40 ppm/℃,。

    本次設(shè)計(jì)以較小的功耗代價實(shí)現(xiàn)了較高的精度,，其性能指標(biāo)與參考文獻(xiàn)對比見表1。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了一款低功耗結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電路,，采取5 V供電,，總功耗為1.2 μW，溫度系數(shù)為6.40 ppm/℃,，低頻電源抑制比為38 dB,，該電路可以廣泛應(yīng)用于便攜式電子領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] WU C,，GOH W L,，YANG Y，et al.A start-up free 200 nW bandgap voltage reference[C].2016 14th IEEE International New Circuits and Systems Conference(NEWCAS),，2016：1-4.

[2] MA B,，YU F.A Novel 1.2–V 4.5-ppm/°C curvature-compensated CMOS bandgap reference[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2014,，61(4)：1026-1035.

[3] WANG L,，ZHAN C，TANG J,，et al.A 0.9-V 33.7-ppm/℃ 85-nW sub-bandgap voltage reference consisting of subthreshold MOSFETs and single BJT[J].IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI) Systems，2018,，26(10)：2190-2194.

[4] MART′INEZ-NIETO A,，SANZ-PASCUAL M T，ROSALES-QUINTERO P.A bandgap voltage reference in 0.18 μm CMOStechnology[C].2013 IEEE 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems(MWSCAS),，2013.

[5] 孟慶巨,，劉海波，孟慶輝.半導(dǎo)體器件物理[M].北京：科學(xué)出版社,，2009.

作者信息:

潘鴻澤1,，王東興1，宋明歆2

(1.哈爾濱理工大學(xué) 理學(xué)學(xué)院,，黑龍江 哈爾濱150080,；2.海南大學(xué)，海南 ?？?70228)