Design of High Precision Bandgap Reference and Current Reference with Low Power Consumption*

YANG Ning，SHIYikai，YUAN Xiaoqing，PANGMing

(School of Mechatronics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

Design of High Precision Bandgap Reference and Current Reference with Low Power Consumption*

YANG Ning，SHIYikai*，YUAN Xiaoqing，PANGMing

(School of Mechatronics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China)

A high precision BiCMOS voltage and current reference for infrared focal plane array sensor are presented，which have advantages over traditional Brokaw bandgap reference in terms of Early effect reduction and biasing currentmatching for currentmirror.The proposed circuit still allows the voltage reference to operate with an attractive low output resistance and utilizes cascode biasing current source to enhance PSR performance.And then，the high precision and simplified current reference is obtained by clamping reference voltage equal to the voltage across the resistance.Also，one diode－connected is introduced to further simply the whole circuit.The system has been simulated using Cadence Spectre tool in CSMC 0.5μm BiCMOS technology.The results indicate that the voltage reference achieves temperature coefficientof13×10－6/℃from－40℃to 125℃with 5V supply voltage and high PSR of－86.83 dB at100 Hz.Moreover，the current reference generates 4μA with a variation of 0.5%over the same temperature range，equivalent to 31×10－6/℃.This reference source has high PSR，high precision and low temperature coefficient which solves the problem of low precision in constant transconductance reference source and are more suitable for infrared focal plane array.

bandgap reference;current source;source follower;high precision;BiCMOS process

紅外探測器在軍事、民用等領(lǐng)域發(fā)揮著日趨重要的作用，紅外焦平面陣列是紅外探測系統(tǒng)的關(guān)鍵核心器件。在紅外焦平面陣列中，基準(zhǔn)源提供的精確偏置電流和電壓直接決定著整個紅外探測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此如何設(shè)計高精度、高PSR、低溫度系數(shù)、低功耗的基準(zhǔn)源電路對于獲得高性能的紅外探測器至關(guān)重要。在經(jīng)典基準(zhǔn)源的設(shè)計方法如恒定跨導(dǎo)基準(zhǔn)源、beta－multiplier基準(zhǔn)源、以熱電壓Vt為參考的基準(zhǔn)源和帶隙基準(zhǔn)源中，帶隙基準(zhǔn)源憑借其工藝、電壓和溫度PVT(Process，Voltage，and Temperature)相關(guān)性小的特性在諸多集成電路中得到廣泛應(yīng)用［1－2］，而精度、PSR、溫度系數(shù)、功耗和芯片面積是衡量帶隙基準(zhǔn)源及其電流源性能的重要指標(biāo)［3－4］。

為了得到低溫度系數(shù)、高PSR指標(biāo)和低功耗的電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)，各種基于硅柵CMOS或者模擬BiCMOS工藝的帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計方法在眾多文獻(xiàn)中被提出。其中，Osaki Y等采用亞閥值電壓的方法來降低電路溫度系數(shù)［5］，Windels J等則根據(jù)MOSFET熱性能使所有CMOS工作在弱反型區(qū)以提高電路性能［6］，上述兩種方法均基于CMOS工藝，然而工作在弱反型區(qū)的MOSFET器件容易產(chǎn)生較大的溫度系數(shù); Ze－Kun Zhou等通過分段非線性補(bǔ)償技術(shù)提升溫度系數(shù)［7］，Rincon－Mora等利用分段線性補(bǔ)償技術(shù)改善系統(tǒng)性能［8］，但是二階補(bǔ)償電路的額外使用增加了芯片面積;Lee提出的基準(zhǔn)源及其電流源得到較好的溫度系數(shù)［9］，但電路PSR指標(biāo)在1kHz僅為－42.5 dB，對系統(tǒng)穩(wěn)定性方面產(chǎn)生較大影響。

綜合上述基準(zhǔn)源設(shè)計方法利弊，本文采用新型電壓基準(zhǔn)輸出級使核心電路中的晶體管具有相同的集電極電流，使基準(zhǔn)電壓更加精確;并依靠單個MOSFET作為電流基準(zhǔn)電路的啟動模塊來減少芯片使用面積，通過與絕對溫度成比例PTAT(Proportional to Absolute Temperature)電流源中共源共柵結(jié)構(gòu)抑制電源電壓波動和噪聲的流入以提升電路的PSR性能，能夠更加滿足紅外焦平面陣列對基準(zhǔn)源高精度和高PSR的特點要求。

1 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源及其電流源

基于CMOS工藝的帶隙基準(zhǔn)源及其電流源經(jīng)典結(jié)構(gòu)由Paul Gray提出［10］，原理如圖1所示。

圖1 Paul Gray帶隙基準(zhǔn)電壓源和電流源

該電路通過共源共柵偏置結(jié)構(gòu)以及等效二極管晶體管的方式降低帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)，然而電流基準(zhǔn)電路部分運算放大器的額外使用，不僅成倍消耗偏置電流［11］，而且高達(dá)幾十毫伏失調(diào)電壓的引入會大大限制輸出基準(zhǔn)電流的精度，同時電壓基準(zhǔn)輸出端較高的輸出阻抗(Zout=r0)降低了電路的驅(qū)動能力。

Brokaw結(jié)構(gòu)是最常見的BiCMOS帶隙基準(zhǔn)源及其電流源之一，如圖2所示。該電路依靠在傳統(tǒng)CMOS工藝中寄生縱向雙極型晶體管(PNP，NPN)，在具有低功耗、高速、強(qiáng)驅(qū)動能力等優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，提升了電路的溫度性能和相對精度，但是該電路存在的厄爾利效應(yīng)無法使X、Y兩點的PTAT電流完全匹配，故造成輸出基準(zhǔn)電壓的精度降低。

圖2 Broakaw帶隙基準(zhǔn)電壓源和電流源

2 新型BiCMOS帶隙基準(zhǔn)源

針對Paul Gray結(jié)構(gòu)中較高的輸出阻抗以及Brokaw結(jié)構(gòu)中厄爾利效應(yīng)的存在，本設(shè)計提出包括帶隙基準(zhǔn)源、電流基準(zhǔn)偏置電路以及PTAT電流源的改進(jìn)方案，該措施既能快速調(diào)整輸出基準(zhǔn)電壓的波動，又使基準(zhǔn)源消除了諸如輸出阻抗和基極電流的二階效應(yīng)，具有較低的低頻噪聲和高精度的電壓基準(zhǔn)。

2.1 帶隙基準(zhǔn)源

本文設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)源及其電流源如圖3所示，其中Q1、Q2、R1、R2構(gòu)成核心電路，Q3和Q4用于確保Q1、Q2集電極電壓相等。在帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計中，相等的X、Y點電位是提高基準(zhǔn)電壓精度的基礎(chǔ)，即降低電路的厄爾利效應(yīng)。為了達(dá)到該目標(biāo)，通常利用級聯(lián)共源共柵電流鏡的方法使X和Y兩點具有相同電位，然而該方法增加了芯片的面積和復(fù)雜度。本設(shè)計采用新型電壓基準(zhǔn)輸出級:Q5和M1代替?zhèn)鹘y(tǒng)射極跟隨器作為帶隙基準(zhǔn)源輸出級，其中射極跟隨器Q5能夠完全保證X、Y點電位相等，即Vx=VY=VPTAT－Vbe_Q(設(shè)Q3與Q5完全匹配)，使PTAT電流更加匹配，進(jìn)而獲得更加精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓;同時以源極跟隨器M1作為電壓基準(zhǔn)輸出級大大降低了電路的輸出阻抗(Zout=1/gm)，使驅(qū)動電流能夠跟隨輸出端負(fù)載的變化(基準(zhǔn)電壓拷貝支路數(shù))而變化，最終達(dá)到穩(wěn)定電路輸出點的目的。

圖3 帶隙基準(zhǔn)源及其電流源總體電路

根據(jù)圖3可知，基準(zhǔn)電壓Vref由電阻R4和R5分壓得到，由于晶體管Q1和Q2的基極電流必會流經(jīng)R4，隨之造成Q2基極電壓的升高，因此基準(zhǔn)電壓也隨之增加。基于上述原因，消除誤差的前提是保持Q2的基極電壓不變，故本文采用補(bǔ)償電阻的方法對Q2的基極電流進(jìn)行校正。根據(jù)Brokaw帶隙基準(zhǔn)源中補(bǔ)償電阻計算方法可得［12］。

故調(diào)制后的基準(zhǔn)電壓Vref為

已知VT具有0.086 mV/℃正溫度系數(shù)，VBE2具有約為－1.8 mV/℃負(fù)溫度系數(shù)(T=27℃)，令m=R2/R1，l =R4/R5，結(jié)合式(2)基準(zhǔn)電壓Vref對溫度求導(dǎo)可得

若要得到與溫度系數(shù)無關(guān)的基準(zhǔn)電壓，那么基準(zhǔn)電壓對溫度的導(dǎo)數(shù)應(yīng)為零，即m ln n=10.47;這里，取n=8，m≈5.56，同時通過選取合適的R4和R5之間的比值可得到精確的基準(zhǔn)電壓，取l≈1.02，最終得到穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓Vref為2.5 V。

穩(wěn)定性是提升系統(tǒng)性能的另一項重要因素，而良好的負(fù)反饋回路是保證穩(wěn)定性的關(guān)鍵之一。如圖3所示，當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref隨著負(fù)載的變化升高時，c點電壓隨之升高，由于Q1和Q2是共射極反向放大器，因此Q5的基極電壓(Y點)下降，而Q5的工作方式與M1相同皆為正反饋放大器，故d點電壓(基準(zhǔn)電壓)下降，最終實現(xiàn)整體控制使Vref保持不變。另外，通過在帶隙電壓輸出點Y處添加電容C1建立的一個低頻極點，更進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.2 電流基準(zhǔn)偏置電路

在電流基準(zhǔn)偏置電路中，M3、M4、M5和M6共同構(gòu)成電壓電流轉(zhuǎn)換電路，連接在電源與M5、M6柵極之間的電容C2起到進(jìn)一步提高電路PSR性能的作用。其中M4的寬長比W/L是M3的2倍，故基準(zhǔn)電流Iref為I4兩倍，即

由于電流基準(zhǔn)偏置電路采用偏置結(jié)構(gòu)，因此電路具有兩種穩(wěn)定狀態(tài):工作狀態(tài)和零電流狀態(tài)。為了使系統(tǒng)在啟動時脫離零電流狀態(tài)，通常選擇在兩種穩(wěn)定狀態(tài)中電壓波動最大之處添加啟動電路。本設(shè)計在圖3中b點添加單個MOSFET(M2)啟動模塊，無論在結(jié)構(gòu)還是性能方面都能夠滿足系統(tǒng)正常工作要求。從圖中可以看出，晶體管M2采用柵極與源極相連的等效二極管接法，即M2漏極相當(dāng)于二極管陰極，柵極和源極相當(dāng)于陽極，其工作原理是:當(dāng)電路處于零電流狀態(tài)時，a點電壓在電容C2的作用下拉高至VDD，則M6管截止，b點電壓為零，因此M2導(dǎo)通，當(dāng)b點電壓被拉高至VDD時，M3、M4導(dǎo)通，a點電壓被拉低，此時M5和M6導(dǎo)通，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)，同時由于b點電壓被拉高M(jìn)2已經(jīng)截止，故啟動電路關(guān)斷。

2.3 PTAT電流源

理想電流基準(zhǔn)(低功耗)的要求之一是消耗最少的偏置電流量，若采用PTAT電流代替恒定電壓作為帶隙基準(zhǔn)源的啟動電路，不僅能夠使基準(zhǔn)電流輸出回路中的所有晶體管的偏置電流消耗為零，而且憑借共源共柵結(jié)構(gòu)大幅提高了電路的PSR指標(biāo)，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在PTAT電流源電路中，Q6、Q7、Q8和Q9共同構(gòu)成帶隙基準(zhǔn)核心電路;電流鏡M7、M8保證核心電路具有相同的集電極電流，即I1=I2;M9的L很長，相當(dāng)于阻抗很高的電阻，用作核心電路的啟動模塊; M18為電路外部使能模塊;M9、M10、M16和M17極大程度地抑制了電壓波動，提高電路的PSR指標(biāo)。系統(tǒng)的工作原理是:當(dāng)電路處于零電流狀態(tài)時，O點電位為零，若此時將使能信號EN拉低，那么M18截止，M19導(dǎo)通，O點脫離零電流狀態(tài)將電壓拉高至VDD，則核心電路進(jìn)入正常工作狀態(tài);若系統(tǒng)不產(chǎn)生PTAT電流，只需將使能信號EN拉高，M18導(dǎo)通，則PTAT電流源停止工作。

在系統(tǒng)啟動之后，根據(jù)Q6、Q7、Q8、Q9和R7回路的KVL原理得到關(guān)系式

假設(shè)所有晶體管具有相同的正向電壓VBE，則式(5)可變換為

這里，晶體管Q6、Q9與Q7、Q8發(fā)射極面積比n為4∶1。

為保證PTAT電流源能夠為后續(xù)電路提供充足的偏置電流，根據(jù)圖3和圖4可知，IPTAT應(yīng)為Ic1、Ic2和I3三者電流之和，其中Q5的個數(shù)為Q3(或Q4)的兩倍，因此當(dāng)IPTAT至少是Ic1四倍時才能正常啟動后續(xù)電路。對于R7選取，滿足圖4中的偏置電流I1等于圖3中的偏置電流Ic1，由于M11的數(shù)目是M7的4倍，故

根據(jù)上述關(guān)系，選取R7/R1=0.75。

3 結(jié)果與分析

本設(shè)計基于CSMC 0.5μm 60 V BCD加工工藝，采用Cadence Spectre對電路的溫度系數(shù)和電源抑制性能進(jìn)行仿真。在電源電壓為5 V，溫度范圍從－40℃到125℃的情況下，基準(zhǔn)電壓Vref和基準(zhǔn)電流Iref隨溫度的變化情況分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，當(dāng)溫度在－40℃到125℃之間變化時，輸出基準(zhǔn)電壓變化值為5.401 mV，由此計算得到電路的電壓溫度系數(shù)是13×10－6/℃;圖6中基準(zhǔn)電流變化值為20.58 nA，溫度系數(shù)是31× 10－6/℃。由于電流基準(zhǔn)偏置部分中電阻的溫度系數(shù)無法消除，故造成基準(zhǔn)電流溫度系數(shù)的提高。

圖7是基準(zhǔn)電流源在27℃時，對電路從1 Hz到 100 MHz范圍進(jìn)行交流掃描時的PSR特性曲線，系統(tǒng)的PSR在頻率100 Hz處高達(dá)－86.83 dB。由圖8可以看出，核心電路消耗的偏置電流Ic1是1.678μA，PTAT電流源輸出的電流IPTAT是7.14μA，約為核心電路消耗量的四倍，相對于電壓直接供電，極大程度避免了偏置電流的浪費，因此PTAT電流源在降低系統(tǒng)功耗以及提高PSR性能方面起到關(guān)鍵作用。

圖5 基準(zhǔn)電壓的溫度特性曲線

圖6 基準(zhǔn)電流的溫度特性曲線

圖7 電源抑制特性曲線

圖8 PTAT電流源與偏置電流的關(guān)系

通過表1和表2分別對本論文提出的電壓/電流帶隙基準(zhǔn)源和其他發(fā)表文獻(xiàn)中基準(zhǔn)源的重要參數(shù)和性能進(jìn)行的對比，顯示出本論文提出的新型帶隙基準(zhǔn)源的優(yōu)勢。由表1可知，本文提出的電壓基準(zhǔn)源具有最高的PSR和僅次于文獻(xiàn)［14］的溫度系數(shù)。在表2中，本文提出的電流基準(zhǔn)源具有最高的溫度系數(shù)，并且由于進(jìn)一步降低電流源偏置電路中MOSFET的使用數(shù)量，大大降低了芯片面積進(jìn)而提升整體電路性能。

在馬克思看來，市民社會指整個市場經(jīng)濟(jì)社會中的私人生活和私人領(lǐng)域，而這一私人生活和私人領(lǐng)域的本質(zhì)形式就是“生產(chǎn)關(guān)系”或“經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)”，社會歷史發(fā)展的矛盾為生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)和上層建筑之間的矛盾。 所以，物質(zhì)資料的生產(chǎn)關(guān)系也就被概括為生產(chǎn)關(guān)系和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，這樣市民社會與政治國家的關(guān)系問題也就不存在了。

表1 各種結(jié)構(gòu)電壓基準(zhǔn)源性能對比

表2 各種結(jié)構(gòu)電流基準(zhǔn)源性能對比

4 結(jié)論

根據(jù)紅外焦平面陣列的工作原理，本文采用射極跟隨器精確匹配電壓基準(zhǔn)核心電路中的偏置電流，并利用源極跟隨器降低電壓基準(zhǔn)的輸出阻抗和穩(wěn)定輸出基準(zhǔn)電壓，接著結(jié)合單個二極管連接的

MOSFET精簡電流基準(zhǔn)偏置啟動電路，最后通過共源共柵結(jié)構(gòu)的PTAT電流源增強(qiáng)系統(tǒng)PSR性能，在逐步降低電路設(shè)計復(fù)雜度的同時，進(jìn)一步提高了基準(zhǔn)電流精度和電路穩(wěn)定性。在CSMC 0.5μm 60 V BCD工藝條件下，仿真結(jié)果表明:帶隙基準(zhǔn)源及其電流源產(chǎn)生2.5 V基準(zhǔn)電壓和4μA基準(zhǔn)電流，在電源電壓為5 V，－40℃到125℃溫度范圍內(nèi)具有13 ×10－6/℃電壓溫度系數(shù)和31×10－6/℃電流溫度系數(shù)，電路的PSR在100 Hz處最高可達(dá)到－86.83 dB。該新型高精度、高PSR、低溫度系數(shù)、低集成度帶隙基準(zhǔn)源及其電流源可應(yīng)用于多種類型的紅外焦平面陣列傳感器系統(tǒng)。

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楊寧(1984－)，男，西北工業(yè)大學(xué)大學(xué)博士研究生，主要研究方向為微機(jī)電系統(tǒng)，無線網(wǎng)絡(luò)，機(jī)電控制及其自動化等，yangning0528@163.com;

史儀凱(1952－)，男，西北工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家級教學(xué)名師，主要從事機(jī)電控制及自動化、智能化檢測、電氣控制及驅(qū)動控制方面的研究，ykshi@nwpu.edu.cn。

高精度、低功耗帶隙基準(zhǔn)源及其電流源設(shè)計*

楊寧，史儀凱*，袁小慶，龐明

(西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安710072)

提出一種適用于紅外焦平面陣列傳感器的高精度BiCMOS電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)設(shè)計方案。該方案采用新型電壓基準(zhǔn)輸出級降低Brokaw帶隙基準(zhǔn)源中的厄爾利效應(yīng)使電流鏡電流完全匹配，同時減小電壓基準(zhǔn)的輸出阻抗;接著利用共源共柵結(jié)構(gòu)的偏置電流提高帶隙基準(zhǔn)的電源抑制PSR(Power Supply Rejection)特性;最后通過4個MOSFET管將基準(zhǔn)電壓和電阻電壓鉗制相等，進(jìn)而得到一個高精度、低溫度系數(shù)的電流基準(zhǔn);而以單個二極管連接的MOSFET作為電流基準(zhǔn)啟動電路的方式，可更進(jìn)一步降低電路復(fù)雜性。系統(tǒng)采用CSMC 0.5μm BiCMOS工藝，利用Cadence Spectre工具對電路進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，在電源電壓5 V，－40℃到125℃溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)分別為13×10－6/℃和31×10－6/℃，輸出電流波動低于0.5%，整體電路的PSR為－86.83 dB，解決了恒定跨導(dǎo)基準(zhǔn)源精度低的缺陷，符合紅外焦平面陣列對基準(zhǔn)源高精度、高PSR和低功耗的要求。

帶隙基準(zhǔn)源;電流源;源極跟隨器;高精度;BiCMOS工藝

TN216

A

1004－1699(2014)01－0058－06

2013－10－26修改日期:2013－12－18

C:1210;2570

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.011

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(51105316，50275125);西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金項目(NPU－FFR－JCY20130118)