一種新型的電流模式曲率補償帶隙基準源

摘要：提出了一種新型的低壓帶隙基準源，與傳統(tǒng)的帶隙基準不同，該電路引入了第三個電流，以消除雙極型晶體管射基電壓的溫度非線性項，從而實現(xiàn)曲率補償。采用0．18μm CMOS工藝進行設計驗證，HSpice仿真結(jié)果表明，室溫下的輸出電壓為623 mV，-55～+125℃范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為4．2 ppm／℃，1．0～2．1 V之間的電源調(diào)整率為0．9 mV／V。
關(guān)鍵詞：帶隙基準源；曲率補償；低壓；溫度系數(shù)

基準電壓源廣泛應用于A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、開關(guān)電源等電路之中。在眾多的基準電壓源中，由于帶隙基準能成功地在標準CMOS工藝中實現(xiàn)，并得到良好的性能而廣受歡迎。隨著電池供電產(chǎn)品(如手機，筆記本電腦等)的發(fā)展，對低壓電源電壓的要求也逐步增高。利用電阻分壓的方法和低閾值電壓器件能夠?qū)崿F(xiàn)可工作在1 V以下的CMOS帶隙基準源。
同時，由于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度的不斷提高，基準源的溫度穩(wěn)定性也面臨著新的挑戰(zhàn)。許多曲率補償技術(shù)應運而生，諸如：二次溫度補償、指數(shù)溫度補償、分段線性曲率校正、電阻溫度補償?shù)鹊?。除了上述的這些方法外，M．D．Ker和J．S．Chen還提出了一種可工作在1 V以下的新型曲率補償帶隙基準，所用的結(jié)構(gòu)利用到了NPN和PNP兩種寄生雙極型晶體管(BJT)。本文提出了一種類似的補償技術(shù)，但僅需用到PNP型BJT。

1 傳統(tǒng)低壓帶隙基準源的工作原理
圖1是傳統(tǒng)低壓帶隙基準的電路結(jié)構(gòu)。該基準電路能夠工作在低電源電壓的關(guān)鍵是將電壓疊加轉(zhuǎn)換成電流疊加。如圖1所示，輸出電流和輸出電壓可分別表示：

式中：VT是熱電壓，VT=kT／q；k為波爾茲曼常數(shù)(1．38×10-23J／K)；q為電子的帶電量(1．6×10-19C)，N為BJT管Q1和Q2的發(fā)射結(jié)面積比。以上兩式的最后一項都是線性正比于絕對溫度(PTAT)，被用于補償Veb2的負溫度系數(shù)。只要合適地選擇N，R1，R2和R3，就能得到一個具有低溫度漂移特性，且值低于1 V的參考電壓。然而，與式(2)的最后一項相比，Q2的射基電壓(Veb2)并不是關(guān)于溫度理想線性的。BJT管的
射基電壓Veb可以表示為：

式中：VG為0 K時硅材料的外推帶隙電壓值；η為與工藝技術(shù)相關(guān)的系數(shù)；m為BJT管集電極電流的溫度依賴階數(shù)；T0為參考溫度。

上式中包含了一個溫度非線性項Tln(TVT／T0)。將式(3)做泰勒展開，可得：

式中：a0，a1，a2，…，an都是常數(shù)。一階溫度補償技術(shù)主要是補償a1T項，這是傳統(tǒng)帶隙基準源的情況。若要得到更低的溫度系數(shù)，需要采用曲率補償技術(shù)去補償式(4)中的那些高階項。類似于圖1，本文提出的電路結(jié)構(gòu)也基于電流疊加模式原理。電路中引入了第三個電流，以補償Veb的非線性，實現(xiàn)曲率補償。