一種二階曲率補償的帶隙電壓基準

廖 敏 周 瑋

摘 要:設計一種二階曲率補償的帶隙電壓基準。基于一階曲率補償的基準電路,利用二極管正向導通附近電流獻與電壓玍的非線性關系,將補償電流注入PTAT電流來補償玍゜e的二階項。運用0.35 μm工藝的器件模型Cadence工具下進行了仿真,在-50～+120 ℃溫度范圍內,一階曲率補償帶隙電壓基準的溫度系數為16.6 ppm/℃,經過二階曲率補償的帶隙電壓基準的溫度系數減小到約為3.07 ppm/℃,帶隙電壓基準的溫度特性得到了很大改善。整個補償電路使用器件少、占用面積小、實用性強。

關鍵詞:帶隙電壓基準;二階曲率補償;溫度系數;溫度特性

中圖分類號:TN43

0 引 言

隨著便攜式電子產品的高速發展,使得對低壓低功耗的帶隙基準源的需求大大增加。為了縮小電池尺寸和延長電池壽命,需要基準電壓源電路工作在2 V以下的電壓和μA量級的靜態電流下,同時還要保證較高的電路性能,如低溫漂、高電源抑制比等。

一般設計的一階帶隙基準源完全滿足不了對高精度基準源的要求。要提高帶隙基準電壓源的精度,就必須對基準進行高階補償,國內外很多學者對帶隙基準的高階補償進行了研究[5[CD*2]7]。基于一階補償帶隙電壓基準,針對溫度系數性能進行了改進,設計一種結構非常簡單的二階帶隙電壓基準,使其溫度系數得到了很大的提高。

1 傳統帶隙電壓基準

1.1 玍゜e的溫度特性

雙極性晶體管的玍゜e隨溫度的變化而變化,它的溫度特性可表示為:

式中:K1表示溫度為0 獽時玃N結二極管電壓;V┆玝e(T0)是溫度為T0時的發射結電壓;T是絕對溫度;k為波爾茲曼常數;T0是參考溫度;η是與工藝有關與溫度無關的系數;α的值與集電極電流的溫度特性有關,當集電極電流與溫度成正比(PTAT)時,α=1;當集電極電流與溫度無關的時候,│=0。

由式(1)可知,V┆玝e中與溫度相關的非線性項為㏕玪n T,Ы式(1)展開為泰勒級數可表示為:

由此可見,玍゜e中的非線性項玊玪n 玊在很大程度上影響了基準的精度,帶隙電壓基準補償進行高階補償,就能提高帶隙基準的精度。

1.2 傳統帶隙電壓基準原理的分析

圖1所示為一種典型的傳統帶隙電壓基準的發射極面積之比為1∶8,放大器的存在使得A,B兩點電壓近似相等,那么流過玆1的電流即PTAT(Proportional to Absolute Temperature)電流為:

由PMOS管組成的電流鏡結構使得各支路電流近似相等,輸出的基準電壓就為:

由于V┆玝e3具有負溫度特性,V璗具有正的溫度特性,因此,只要選擇合適的R1,R2就能得到近似零溫度系數的基準,通過計算可以得出R2/R1約為8.27。

2 帶隙電壓基準的二階曲率補償

[BT3]2.1 晶體二極管的伏安特性

由文獻[9]可知,晶體二極管的伏安特性可表示為:

式中:獻璖為反向飽和電流,其值與PN結兩邊的參雜濃度有關。玍璗稱為熱電壓(Thermal Voltage),與溫度玊有關。室溫即玊=300 K時玍璗26 mV。圖2所示為晶體二極管的伏安特性,由圖所示,在導通電壓0.7 V附近,電流和電壓可近似看成一種二階指數關系。

[BT3]2.2 二階曲率補償原理

傳統的帶隙電壓基準只是對玍゜e的一階項進行補償。因此這種補償的精度較低,一般的傳統帶隙電壓基準的溫度系數為20～30 ppm/℃,要使帶隙電壓基準的精度提高就得對玍゜e的高階項進行補償。如圖3所示為一種簡單的二階曲率補償的核心電路。該電路的特點是器件少,占用面積小,在傳統帶隙電壓基準的基礎上,只添加了一個電阻玆3和一個二極管D。在補償電路中,晶體二極管D兩端電壓被偏置在導通電壓0.7 V左右。

由晶體二極管的溫度特性可知,二極管兩端電流隨著溫度的升高而略有增加,電阻玆3兩端電壓略有上升,那么二極管兩端電壓玍璂相應降低。

由圖2可知,在導通電壓附近,電壓細小變化將導致電流迅速降低,電流電壓成近似二階指數關系。

正是利用二極管的這種特性,當補償電流注入PTAT電流后,抵消了電流中所含的二階非線性項,實現了二階曲率補償。

圖4給出了該電壓基準的其他電路,主要組成部分有:啟動電路、偏置電路、放大器電路[10,11]。通過分析可知,該偏置電路中有兩個穩定的工作點,因此,該偏置電路是必須的,否則可能導致整個電路無法工作。

3 仿真結果分析

該電路基于0.35 μm工藝,利用Cadence工具對電路進行了仿真,補償前后的溫度特性曲線如圖5所示,通過計算得到補償后的溫度系數約為3.07 ppm/℃,對比傳統帶隙電壓基準約16.6 ppm/℃的溫度系數,經過二階曲率補償后的基準源的溫度特性得到了很大的改善。[JP]

4 結 語

[JP2]這里給出了一種二階曲率補償的帶隙電壓基準電路。該電路利用晶體二極管在導通電壓附近電流與電壓的近似二階指數關系,完成了對玍゜e中的非線性項的二階補償,使得溫度特性有了很大的改善,而補償電路就使用了一個電阻和一個晶體二極管,非常簡單,易于實現。[JP]オ[KH-1]

參 考 文 獻

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