一種低溫漂的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的研究

摘要：為了滿足深亞微米級(jí)集成電路對(duì)低溫漂、低功耗電源電壓的需求，提出了一種在0．25μm N阱CMOS工藝下，采用一階溫度補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。電路核心部分由雙極晶體管構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了VBE和VT的線性疊加，獲得近似零溫度系數(shù)的輸出電壓。T—SPICE軟件仿真表明，在3.3 V電源電壓下，當(dāng)溫度在-20～70℃之間變化時(shí)，該電路輸出電壓的溫度系數(shù)為10x10-6／℃，輸出電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1 mV，室溫時(shí)電路的功耗為5．283 1 mW，屬于低溫漂、低功耗的基準(zhǔn)電壓源。
關(guān)鍵詞：帶隙參考電壓源；溫度補(bǔ)償；電源抑制比

近年來(lái)，由于集成電路的飛速發(fā)展，基準(zhǔn)電壓源在模擬集成電路、數(shù)?；旌想娐芬约跋到y(tǒng)集成芯片(SOC)中都有著非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)高新模擬電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展也起著至關(guān)重要的作用，其精度和穩(wěn)定性會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)好的基準(zhǔn)源具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。

1 帶隙基準(zhǔn)電路的基本原理
帶隙基準(zhǔn)電壓源的目的是產(chǎn)生一個(gè)對(duì)溫度變化保持恒定的量，由于雙極型晶體管的基極電壓VBE，其溫度系數(shù)在室溫(300 K)時(shí)大約為-2．2 mV／K，而2個(gè)具有不同電流密度的雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓差VT，在室溫時(shí)的溫度系數(shù)為+0．086 mV／K，由于VT與VBE的電壓溫度系數(shù)相反，將其乘以合適的系數(shù)后，再與前者進(jìn)行加權(quán)，從而在一定范圍內(nèi)抵消VBE的溫度漂移特性，得到近似零溫度漂移的輸出電壓VREF，這是帶隙電壓源的基本設(shè)計(jì)思想。
1．1 帶隙基準(zhǔn)電壓源核心電路
本文提出的電路核心結(jié)構(gòu)如圖1所示，在電路中雙極晶體管構(gòu)成了電路的核心，實(shí)現(xiàn)了VBE與VT的線性疊加，獲得近似為零溫度系數(shù)的輸出電壓。圖1中雙極型晶體管Q1和Q2的發(fā)射區(qū)面積相同，Q3和Q4的發(fā)射區(qū)面積相同，考慮設(shè)計(jì)需求，取Q1和Q2的發(fā)射區(qū)面積為Q3和Q4的發(fā)射區(qū)面積的8倍。

假設(shè)雙極晶體管基極電流為零，運(yùn)放的增益足夠大，則a點(diǎn)和b點(diǎn)的電壓相等，即：


在實(shí)際電路中，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知當(dāng)取R3／R1=2．3066時(shí)，可以得到室溫下的近似零溫度系數(shù)的輸出參考電壓。