一種新型高精度CMOS帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計

引言
模擬電路中廣泛地包含電壓基準(zhǔn)(reference voltage)和電流基準(zhǔn)(current reference)。在數(shù)／模轉(zhuǎn)換器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器等電路中，基準(zhǔn)電壓的精度直接決定著這些電路的性能。這種基準(zhǔn)應(yīng)該與電源和工藝參數(shù)的關(guān)系很小，但是與溫度的關(guān)系是確定的。在大多數(shù)應(yīng)用中，所要求的溫度關(guān)系通常分為與絕對溫度成正比(PTAT)和與溫度無關(guān)2種。
近年來有研究指出，當(dāng)漏電流保持不變時，工作在弱反型區(qū)晶體管的柵源電壓隨著溫度升高而在一定范圍內(nèi)近似線性降低?；谠撎匦裕?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/帶隙基準(zhǔn)源">帶隙基準(zhǔn)源所采用的基極-發(fā)射極結(jié)可以被工作在弱反型區(qū)的晶體管代替產(chǎn)生低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源。文獻中提到采用該設(shè)計原理的基準(zhǔn)源，利用0．13μm工藝的低閾值電壓NMOS管和襯底調(diào)整的PMOS管實現(xiàn)其中的放大器。本文所采用的基準(zhǔn)源電路利用傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的核心電路原理，通過飽和狀態(tài)MOS等效電阻對PTAT電流動態(tài)反饋補償，基本實現(xiàn)了基準(zhǔn)源的穩(wěn)定要求。

1 帶隙基準(zhǔn)源的基本原理
帶隙基準(zhǔn)源可以在0～70℃的溫度范圍內(nèi)有l(wèi)O ppm／℃的溫度系數(shù)。由室溫下溫度系數(shù)為-2．2 mV／℃的PN結(jié)二極管產(chǎn)生電壓為VBE。同時也產(chǎn)生一個熱電壓VT(VT=kT／q)，其與絕對溫度(PTAT)成正比，室溫下的溫度系數(shù)為0．085 mV／℃，則輸出電壓為：

將式(1)對溫度求導(dǎo)，用VBE和VT的溫度系數(shù)求出理論上不依賴于溫度的K值。為了達到所希望的性能，更詳細地分析VBE與溫度的關(guān)系是必須的。帶隙基準(zhǔn)就是將負溫度系數(shù)的電壓與正溫度系數(shù)的電壓加權(quán)相加來抵消溫度對輸出電壓的影響。
1．1 負溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生
雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓具有負溫度系數(shù)，或者說PN結(jié)二極管的正向電壓具有負溫度系數(shù)。從文獻可得到與溫度的關(guān)系式：

式中：η為與三極管結(jié)構(gòu)有關(guān)的量，其值大約為4；α為與流過三極管的電流有關(guān)的一個量，當(dāng)PTAT電流流過三極管時α為1，當(dāng)與溫度不相關(guān)的電流流過三極管時為O；T0為參考溫度；VBG為硅的帶隙電壓。由式(1)可以看出VBE是一個具有負溫度系數(shù)的電壓。
1．2 正溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生
兩個三極管工作在不同的電流密度下，它們的基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對溫度成正比。如果兩個同樣的三極管(IS1=IS2)，偏置的集電極電流分別為nI0和I0，并忽略他們的基極電流，那么：

式中：△VBE表現(xiàn)出正溫度系數(shù)，而且此溫度系數(shù)是與溫度無關(guān)的常量。
1．3 一階溫度補償帶隙基準(zhǔn)源
將正、負溫度系數(shù)的電壓加權(quán)相加，就可以得到一個近似與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。常見的一階可調(diào)基準(zhǔn)源電路如圖1所示。

式中：N為Q2與Q1的發(fā)射結(jié)面積之比，式(4)中第一項具有負的溫度系數(shù)，第二項具有正、負溫度系數(shù)，合理設(shè)計R0與R1的比值和N的值，就可以得到在某一溫度下的零溫度系數(shù)的一階基準(zhǔn)電壓。式(5)中方括號內(nèi)是約為1．25 V的一階溫度無關(guān)基準(zhǔn)電壓，通過調(diào)節(jié)R2／R0的比值，可以得到不同大小的基準(zhǔn)電壓。