一種采用二次曲率補償?shù)膸痘鶞试?/h1>
1 引 言
帶隙基準源廣泛應用于各類集成電路|0">集成電路之中。在現(xiàn)代集成電路日益發(fā)展的今天，帶隙基準源扮演了極其重要的角色。在A／D，D／A轉換器以及一些模擬和數(shù)字電路中，帶隙基準源起著至關重要的作用，它的溫度特性和抗噪聲能力直接決定了整體電路的精度和性能。因此，提高帶隙基準源的精度是十分重要的。
本文介紹帶曲率補償?shù)膸痘鶞试吹脑恚⑵渑c傳統(tǒng)帶隙基準源進行比較，突出其在溫度特性上的優(yōu)點，并介紹一種運用曲率補償?shù)膸痘鶞试措娐贰?
2 傳統(tǒng)帶隙基準源原理
帶隙基準的原理是產生分別帶正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的電壓，然后通過電路讓其相加得到溫度系數(shù)很小，甚至沒有溫度系數(shù)的電壓。
傳統(tǒng)帶隙基準的電路結構如圖1所示。
負溫度系數(shù)電壓由雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓產生。我們可以得到：
本文引用地址：http://m.ptau.cn/article/201706/347286.htm正溫度系數(shù)電壓由工作在不同電流密度的兩個雙極型晶體管產生，其結電壓VBE的差值△VBE就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)。當兩個晶體管的尺寸相同，但集電極的電流分別是nIS1IS2。那么可得：
其中IS1=IS2。該溫度系數(shù)與溫度或集電極電流特性無關。
上述帶正負溫度系數(shù)的電壓，通過如圖1所示方式相加，可得：
為了得到零溫度系數(shù)，可以通過調整R2，R3的大小得到。但是傳統(tǒng)帶隙基準源在工作溫度變化幅度比較大時，輸出電壓的精度會變低。
3 運用曲率補償?shù)膸痘鶞试?/strong>
3.1 曲率補償?shù)膸痘鶞试丛?
雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE并不隨溫度線性變化，而是由式(5)確定：
其中，VBG是硅的能隙電壓，它只與材料本身有關。η是硅遷移率的溫度系數(shù)，其值大約為4。從上式可以看出，VBE可分為常數(shù)項，與溫度一階相關項和高階相關項。在傳統(tǒng)帶隙基準源中，正溫度系數(shù)只補償了一階相關項，得到的電壓與溫度高階相關。
因此，為了消除高階項對電壓的影響，電路中要引入帶正溫度系數(shù)的高階項電壓。式(5)中，當流過二極管的電流為PTAT電流時，a=1?？傻茫?
當流過二極管的電流與溫度不相關時，a=0。可得：
將式(6)，式(7)相減，即可得與溫度高階相關項成正比的電壓。
3.2 帶隙基準源電路結構及其分析
圖2所示為新型帶隙基準源電路的核心部分。相比傳統(tǒng)帶隙基準電路中采用運算放大器的兩端產生等電位的方式，該電路使用的方式更加精確。傳統(tǒng)帶隙基準電路使用運算放大器的兩端作為電路的等電位點，但運算放大器存在輸入失調電壓。輸入失調電壓會影響基準電壓的精度。新型帶隙基準電路采用自舉電流源強制Q1和Q2的電流相等，消除了運算放大器失調電壓對輸出電壓的影響，并且電路具有較高的電源電壓抑制比。同時，該電路不僅能產生帶隙基準電壓源，而且能產生帶隙基準電流源。
圖2中，Q1，Q2，R1，R2，R3產生了帶隙基準電路的一階溫度補償。Q1和Q2流過的電流相等。Q1的尺寸是Q2的4倍，那么流過R2的電流為：
由基爾霍夫定律，將式(9)，式(10)，式(13)相加后，可以得到流過該電流源的電流，并通過鏡像電流源產生與溫度不相關的電壓Vref，其輸出電壓表達式為：
式(14)中，I2可對輸出電壓進行一階溫度補償，I3可對輸出電壓進行二階溫度補償。然后通過調整電路中的電阻值，可以得到理論上與溫度無關的高精度電壓源。
4 仿真結果與分析
本文基于0.6μm的CMOS工藝模型，并用Spectre進行了仿真。圖3給出了經過曲率補償后的溫度掃描曲線。經過二次曲率補償?shù)那€，在-50～+125℃的溫度范圍中，最大和最小值之差僅為1.98 mV，平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。
5 結 語
本文分析了傳統(tǒng)帶隙基準電路和帶曲率補償?shù)膸痘鶞孰娐?，在理論上闡述了傳統(tǒng)帶隙基準的不足以及帶曲率補償帶隙基準電路的先進之處，提出了一種帶曲率補償?shù)膸痘鶞试措娐?，經過仿真，在-50～+125℃的溫度范圍中，新型帶隙基準電路的平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。該結果顯示帶曲率補償?shù)膸痘鶞孰娐肪哂懈玫臏囟忍匦浴?
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帶隙基準源廣泛應用于各類集成電路|0">集成電路之中。在現(xiàn)代集成電路日益發(fā)展的今天，帶隙基準源扮演了極其重要的角色。在A／D，D／A轉換器以及一些模擬和數(shù)字電路中，帶隙基準源起著至關重要的作用，它的溫度特性和抗噪聲能力直接決定了整體電路的精度和性能。因此，提高帶隙基準源的精度是十分重要的。
本文介紹帶曲率補償?shù)膸痘鶞试吹脑恚⑵渑c傳統(tǒng)帶隙基準源進行比較，突出其在溫度特性上的優(yōu)點，并介紹一種運用曲率補償?shù)膸痘鶞试措娐贰?
2 傳統(tǒng)帶隙基準源原理
帶隙基準的原理是產生分別帶正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的電壓，然后通過電路讓其相加得到溫度系數(shù)很小，甚至沒有溫度系數(shù)的電壓。
傳統(tǒng)帶隙基準的電路結構如圖1所示。
負溫度系數(shù)電壓由雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓產生。我們可以得到：
上述帶正負溫度系數(shù)的電壓，通過如圖1所示方式相加，可得：
3 運用曲率補償?shù)膸痘鶞试?/strong>
3.1 曲率補償?shù)膸痘鶞试丛?
雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE并不隨溫度線性變化，而是由式(5)確定：
因此，為了消除高階項對電壓的影響，電路中要引入帶正溫度系數(shù)的高階項電壓。式(5)中，當流過二極管的電流為PTAT電流時，a=1?？傻茫?
圖2所示為新型帶隙基準源電路的核心部分。相比傳統(tǒng)帶隙基準電路中采用運算放大器的兩端產生等電位的方式，該電路使用的方式更加精確。傳統(tǒng)帶隙基準電路使用運算放大器的兩端作為電路的等電位點，但運算放大器存在輸入失調電壓。輸入失調電壓會影響基準電壓的精度。新型帶隙基準電路采用自舉電流源強制Q1和Q2的電流相等，消除了運算放大器失調電壓對輸出電壓的影響，并且電路具有較高的電源電壓抑制比。同時，該電路不僅能產生帶隙基準電壓源，而且能產生帶隙基準電流源。
4 仿真結果與分析
本文基于0.6μm的CMOS工藝模型，并用Spectre進行了仿真。圖3給出了經過曲率補償后的溫度掃描曲線。經過二次曲率補償?shù)那€，在-50～+125℃的溫度范圍中，最大和最小值之差僅為1.98 mV，平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。
5 結 語
本文分析了傳統(tǒng)帶隙基準電路和帶曲率補償?shù)膸痘鶞孰娐?，在理論上闡述了傳統(tǒng)帶隙基準的不足以及帶曲率補償帶隙基準電路的先進之處，提出了一種帶曲率補償?shù)膸痘鶞试措娐?，經過仿真，在-50～+125℃的溫度范圍中，新型帶隙基準電路的平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。該結果顯示帶曲率補償?shù)膸痘鶞孰娐肪哂懈玫臏囟忍匦浴?
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