基于温度补偿的无运放低压带隙基准源设计

摘要：设计了一种带温度补偿的无运放低压带隙基准电路。提出了同时产生带隙基准电压源和基准电流源的技术，通过改进带隙基准电路中的带隙负载结构以及基准核心电路，基准电压和基准电流可以分别进行温度补偿。在0．5μmCMOS N阱工艺条件下，采用spectre进行模拟验证。仿真结果表明，在3．3 V条件下，在-20～100℃范围内，带隙基准电压源和基准电流源的温度系数分别为35．6 ppm／℃和37．8 ppm／ ℃，直流时的电源抑制比为-68 dB，基准源电路的供电电压范围为2．2～4．5V。
关键词：基准电压；基准电流；带隙负载结构；温度系数；电源抑制比

带隙基准源是集成电路中一个重要的单元模块。目前，基准电压源被广泛应用在高精度比较器、A／D和D／A转换器、动态随机存取存储器等集成电路中。随着大规模集成电路的发展，具有低温漂的基准电压源与基准电流源越来越多地被要求设计在同一个集成电路中。传统的带隙基准源电路一般以产生低温漂的基准电压为设计目的，由于薄膜电阻阻值受温度影响，并不能得到温度特性较好的基准电流。
本文结合低压技术，利用薄膜电阻的正温度系数对基准电流进行补偿，通过改进带隙基准电路中的带隙负载结构对基准电压进行补偿，基准电压和基准电流可以同时分别进行温度补偿。提出一种同时产生稳定低压基准电压源和基准电流源的低功耗电路。此基准电路结构简单、占用芯片面积小、功耗低，可以广泛虚用于各种集成电路中。

1 传统低电压带隙基准源
图1为传统低压带隙基准电压源的原理示意图。双极性晶体管的基极一发射极电压Vbf，具有负温度系数，当温度为300 K时，其温度系数一般为-1．5 mV／K。而热电压VT具有正的温度系数，其温度系数为+0．087 mV／K。由于运算放大器组成反馈环路，X点与Y点电压相同，M点与N点电压相同，电阻R1的压降就等于Q1与Q2的电压差△Vbe，输出电流Iref与输出电压Vref可以分别表示为：


选取合适的电阻比例(R2+R3)／R1，可以得到与温度无关的基准电压Vref，但是由于R2与R3的温度系数TCR不为零，则不能得到与温度不相关的电流Iref。