一种高精度低温漂带隙基准源设计

作者：时间：2012-10-23来源：网络收藏

摘要基于TSMC40 nm CMOS工艺设计了一种高精度带隙基准电路。采用Spectre工具仿真，结果表明，带隙基准输出电压在温度为-40～125℃的范围内具有10×10-6／℃的温度系数，在电源电压在1．5～3．3 V变化时，基准输出电压随电源电压变化仅为0．42 mV，变化率为0．23 mV／V，采用共源共栅电流镜后，带隙基准在低频下的电源电压抑制比为-72 dB。
关键词 带隙基准；温度系数；电源电压抑制比；高阶补偿

在模拟电路基本模块中，基准源是必不可少的基本模块。广泛应用于模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、低压差线性稳压器(LDO)、电压调节器、高精度比较器、电压检测器等模拟和数模混合集成电路中，其性能好坏直接影响着系统的性能稳定。
在集成电路中，有3种常用的基准源：掩埋齐纳基准源、XFET基准源和带隙基准源。掩埋齐纳基准源和XFET基准源的输出温度稳定性良好，但制造流程都不能兼容标准CMOS工艺。而带隙基准源电路具有低温度系数、高电源抑制比、以及能与标准CMOS工艺相兼容等优点被广泛的研究与应用，它为系统提供一个与电源电压、工艺参数和温度其无关的直流电压或电流。

1 带隙基准原理
带隙基准的基本原理就是将两个具有相反温度系数的电压以一个合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。假如V1和温度变化方向相同，也就是说具有正温度系数V2和温度的变化方向相反，具有负温度系数。以合适的权重将这两个电压相加，选取适当的a和b系数使其满足

双极型晶体管具有以下两个特性：
(1)双极型晶体管的基一射极电压VRE具有与绝对温度成反比的特性。
(2)在不同集电极电流的情况下，两个双极型晶体管的基-射极电压差值△VRE与绝对温度成正比。
将得到的正负温度系数的电压VRE和△VRE分别乘以一个合适的系数a和b，然后相加减
VREF=aVRE+bVTlnn (3)
这样就可以得到—个与温度无关的零温度系数电压。

2 电路设计
2．1 带隙核心电路设计
图1中，R2a=R2b=R2，而且是相同类型的电阻。高增益的运算放大器使电路工作在深度负反馈状态，假设VX=VY，那么流过电阻R2a和R2b的是与温度成反比的电流，而流过电阻R1的是与温度成正比的电流，这两个电流求和后，通过电流镜取出，最后在电阻R3上产生压降，即为基准输出电压。