冉波 聶海 毛煜

摘 要：文章基于通過控制mos管的柵極電壓產(chǎn)生隨著溫度變化的補(bǔ)償電流原理，采用0.5 μm BCD30 V工藝，設(shè)計(jì)一款二階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源，仿真結(jié)果表明，電源電壓等于7V時(shí)，電路能夠產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的1.24 V輸出電壓，在-40～125C內(nèi)，最小溫度系數(shù)為3.47×10^-6/℃，最大溫度系數(shù)為6.5×10^-6/℃，輸出電壓偏差3 mV。在7V電源電壓下，100 kHz頻率下電源抑制比為65 dB。

關(guān)鍵詞：基準(zhǔn)電源；高階補(bǔ)償；溫度系數(shù)；電源抑制比

基準(zhǔn)電壓源是模擬集成電路中一個(gè)非常重要的模塊，被廣泛應(yīng)用于高精度的DC/DC，ADC，DAC以及DRAM等集成電路設(shè)計(jì)中，這就要求基準(zhǔn)電壓需要高的電源抑制比，以及不隨溫度的變化而變化，因此，關(guān)鍵問題就是如何設(shè)計(jì)一個(gè)高電源抑制比、低溫漂系數(shù)的高性能基準(zhǔn)電壓源[1]。由于帶隙基準(zhǔn)電路能夠?qū)崿F(xiàn)高的電源抑制比（Power SupplyRejection Ratio，PSRR）和低溫漂系數(shù)，因?yàn)槌蔀楦鞣N基準(zhǔn)源中性能佳應(yīng)用廣的電路[2]。在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu)上，筆者通過疊加了一個(gè)與傳統(tǒng)帶隙電壓隨著溫度具有相似變化曲率的電流，對(duì)傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償，因此得到一個(gè)精度高，且溫漂低的基準(zhǔn)電壓[3]。

1 二階補(bǔ)償原理分析

文中提出的二階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源的補(bǔ)償原理如圖1所示。圖1左側(cè)是傳統(tǒng)的一階溫度補(bǔ)償：

α為正負(fù)溫度補(bǔ)償系數(shù)。然后，通過由負(fù)溫度系數(shù)電壓控制的工作于亞閾值區(qū)MOS管產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓V_comp對(duì)一階基準(zhǔn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，這個(gè)電壓有著與V_ref相似的曲率變化，最后將兩個(gè)電壓相減，得到最終的二階溫度補(bǔ)償電壓：

2 電路設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的二階補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓源電路如圖2所示，該電路由啟動(dòng)電路、一階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路和二階溫度補(bǔ)償電路組成。

2.1 一階補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

圖2左側(cè)為文中提出的傳統(tǒng)一階補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路，為整個(gè)電路提供一階基準(zhǔn)電壓，不考慮中間二階補(bǔ)償電路，忽略MN2的分流，令V_ref電壓為V_ref1，圖中Q4，Q5，Q6，Q8，R7組成PTAT （Proportionalto Absolute Temperature）的電流，Q4，Q5具有一樣的面積，Q6，Q8面積為1：8，MP2鏡像MP1的電流，Q10的基極電壓為：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，q為電荷量，因此通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整R4，R7的寬長(zhǎng)比，可以使得電路的正負(fù)溫度系數(shù)相抵消，從而獲得一階補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓。

2.2 二階溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

圖2右側(cè)所示為文中提到的二階補(bǔ)償電路，MP4，

3 仿真結(jié)果與分析

基于0.5 μm BCD工藝模型，采用Cadence公司的仿真工具，對(duì)文中的二階帶隙基準(zhǔn)電路的電路性能參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖3所示，當(dāng)電源電壓為6V時(shí)，基準(zhǔn)電壓的溫度曲線，圖中可以看出，在溫度從-30℃變化至130℃范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓峰值之差為2 mV，即溫度系數(shù)為TC=5.5×l0^-6/℃，因此，與傳統(tǒng)的一階溫度補(bǔ)償方法相比，文中提出的二階補(bǔ)償極大地提高了基準(zhǔn)電壓的溫度穩(wěn)定性[5-6]。

如圖4所示，給出了設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制比曲線，低頻電源抑制比為-75 dB，因此能夠有效抑制電源電壓變化引起的基準(zhǔn)變化。

4 結(jié)語

負(fù)溫度系數(shù)電壓控制工作在亞閾值區(qū)域MOS管的柵極電壓，產(chǎn)生一個(gè)跟一階帶隙電壓一樣溫度變化趨勢(shì)的補(bǔ)償電壓，提高了基準(zhǔn)的溫度穩(wěn)定性，仿真結(jié)果表明，該基準(zhǔn)電壓在整個(gè)溫度變化范圍內(nèi)電壓波動(dòng)沒有超過3 mV，溫度系數(shù)小于8 PPM，能夠應(yīng)用于對(duì)基準(zhǔn)源精度要求高的場(chǎng)合。

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