基于BiCMOS工藝可修調的高精度低溫度系數帶隙基準源設計*

王文建

(浙江商業職業技術學院應用工程學院,杭州 310053)

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基于BiCMOS工藝可修調的高精度低溫度系數帶隙基準源設計*

王文建*

(浙江商業職業技術學院應用工程學院,杭州 310053)

設計了一種利用電阻比值校正一階溫度系數帶隙基準電路的非線性溫度特性來實現低溫度系數的高精度低溫度系數帶隙基準源;同時設置了修調電路提高基準電壓的輸出精度。該帶隙基準源采用0.8 μm BiCMOS(Bipolar-CMOS)工藝進行流片,帶隙基準電路所占面積大小為0.04 mm2。測試結果表明:在5 V電源電壓下,在溫度-40 ℃～125 ℃范圍內,基準電壓的溫度系數為1.2×10-5/℃,基準電流的溫度系數為3.77×10-4/℃;電源電壓在4.0 V～7.0 V之間變化時,基準電壓的變化量為0.4 mV,電源調整率為0.13 mV/V;基準電流的變化量為變化量約為0.02 μA,電源調整率為6.7 nA/V。

溫度傳感器芯片;帶隙基準;溫度系數;電源調整率

溫度傳感器廣泛應用于工業儀表、消費電子等領域[1-5],溫度傳感器芯片中需要高性能基準源,基準源提供的基準電壓和基準電流直接影響溫度傳感器的精度和穩定性?；鶞孰妷汉突鶞孰娏鞫际菑膸痘鶞孰娐份敵龅玫降?所以帶隙基準電壓和基準電流的精度直接關系到芯片的性能。這就對帶隙基準電壓和基準電流的精度提出了更高的要求,包括高輸出精度、低溫度系數、低電源電壓調整率、高電源抑制比等[6-16]。

本文設計的帶隙基準電路是利用不隨溫度變化的電阻比值校正了一階溫度系數帶隙基準電路的非線性溫度特性,獲得低溫度系數的基準電壓和基準電流,同時通過設計修調電路獲得高精度和低溫度系數的基準電壓和基準電流,最后流片并給出測試結果。

1 電路功能與原理

1.1 電路功能

帶隙基準電路的主要功能是產生穩定的基準電壓和基準電流,該電壓和電流隨電源電壓和溫度的變化很小。在保證正常工作的條件下,要求靜態功耗盡量小。另外,帶隙基準電路需要啟動電路來保證正確的啟動過程;反饋環路必須工作在穩定的條件下。

本文設計的帶隙基準電路主要是產生1.250 V的基準電壓和3.0 μA的基準電流,實現原理為VBE和ΔVBE的一階補償,通過修調進一步提高精度。

1.2 工作原理

帶隙基準源如圖1所示,由啟動電路和基準產生電路。

圖1 帶隙基準源電路

1.2.1 啟動電路

如圖1所示,由于M1的柵極接地而導通,R1、M1、Q3形成從電源到地的通路,M3的柵極拉低而導通,同時Q2也正常工作,可以設置M3的上拉能力大于Q2的下拉能力使節點C為高電平,啟動開始;通過節點C可以獲知電路的啟動狀態,當節點C為高電平時啟動正常,節點C為低電平時啟動未開始。同時,M2的柵極接地而導通,其所在的通路R1、M2、Q1、Q3導通,流過Q1的電流通過鏡像方式使得Q4導通,這樣就有電流流過基準生成電路,起到啟動電路的作用。

1.2.2 基準產生電路

如圖1所示,M6采用二極管連接方式,與Q4、R9支路構成通路,此時M4、M8、M10導通;R9支路導通后,R7、R8兩條支路有電流通過,使得Q7、Q8導通;Q7、M11、 M10支路導通,使M7、M9和M13導通。此時R9上端電位升高使Q4截止,啟動電路停止工作,支路電流由M9來提供;Q4截止后,M6柵極和漏極的電位由M4、M5、M7、Q8和R10共同決定;此時基準生成電路正常工作,輸出基準電壓VREF和基準電流IREF。

Q6的發射極面積是Q5的8倍,有ISQ6=8ISQ5,其中反饋通路保證通過Q5和Q6的電流相等,所以流過R2的電流為:

(1)

(2)

式中:RTRIM為修調電阻;兩邊對溫度求導有:

(3)

圖1中常溫下VBE6的溫度系數為-1.5 mV/℃,而VT的溫度系數為0.087 mV/℃;因此要使VREF在室溫下為零溫度系數,則有:

(4)

通過對修調電阻RTRIM進行修調,即是對電阻比值進行調整,可得到接近零溫度系數的帶隙基準電壓。

1.2.3 基準電流IREF

如圖1所示,M9的源極電壓為:

(5)

則,基準電流IREF為:

(6)

R11可以采用負溫度系數的多晶POLY電阻,這樣可以和負溫度系數的VBE6抵消一部分溫度帶來的影響,另一方面在調節基準電壓時通過調節修調電阻來進一步調節基準電流的溫度系數和精度。

1.2.4 修調電阻RTRIM

圖2 修調電阻

如圖2為修調電阻RTRIM,其中D、E、F、G、H為修調點,對應的電阻分別為8kΩ、16kΩ、32kΩ、64kΩ、128kΩ,2次方倍增加,這樣是為了曲線調節的圓滑;修調前修調點是通過鋁條連接的,把所并聯的電阻短掉。根據式(4)可知,調節修調電阻RTRIM可以調節基準電壓的溫度系數,另一方面根據式(2)得,可以通過調節修調電阻進而調節電阻比值來調節基準電壓的輸出精度。通過燒斷修調點所在的鋁條,使得修調以后與其并聯的電阻放開,串聯在電路中,總電阻增大。

由于修調電阻前后的基準電壓比值恒定,基準電壓比值可以作為修調測試的依據。燒斷表示電阻加大,修調的電阻越大,基準電壓越高。具體燒斷哪個鋁條,根據表1查詢得到。測試時,記下初始基準電壓值V0,目標值1.250 0V(芯片要求基準電壓在1.225 0V～1.275 0V之間)除以V0得到X值,到表1中查找接近的X值,由X值確定修調點。例如,設修調前的基準電壓為1.223 0V,則,

(7)

表1 修調點對應基準電壓值

查表1,序號19的X值1.022 3比較接近1.022 1,通過直接燒斷修調點E、H即可。

修調點的燒斷方式很多:①采用激光方式,這種方式成本高;②采用在修調點兩端的PAD上加3 V電壓來燒斷鋁條;③采用在修調點兩端的PAD上加-3 V電壓來燒斷鋁條;④采用在修調點兩端的PAD上灌電流方式來燒斷鋁條?？梢愿鶕y試條件選擇采用哪種方式進行修調;該帶隙基準源采用方式②。

2 芯片版圖

圖3為帶隙基準源芯片照片,面積大小為0.04 mm2,采用0.8 μm BiCMOS工藝進行流片。

圖3 帶隙基準源芯片照片

圖4 基準電壓VREF隨電源電壓VDD變化曲線

3 測試結果及分析

流片后,對帶隙基準源進行了測試。

圖4為基準電壓VREF隨電源電壓VDD變化曲線。電源電壓VDD在4.0 V～7.0 V變化時,基準電壓VREF的變化量約為0.4 mV,電源調整率為0.13 mV/V。圖5為基準電壓VREF溫度特性曲線。在5.0V電源電壓下,在溫度-40 ℃～125 ℃范圍內的溫度系數為1.2×10-5/℃。圖6為基準電壓IREF隨電源電壓VDD變化曲線。電源電壓VDD在4.0 V～7.0 V變化時,基準電流IREF的變化量約為0.02 μA,電源調整率為6.7 nA/V。圖7為基準電流IREF溫度特性曲線。在5.0 V電源電壓下,在溫度-40 ℃～125 ℃范圍內的溫度系數為3.77×10-4/℃。

圖5 基準電壓VREF溫度特性曲線

圖6 基準電流IREF隨電源電壓VDD變化曲線

圖7 基準電流IREF溫度特性曲線

4 結論

利用電阻比值校正了一階溫度系數帶隙基準電路的非線性溫度特性來實現低溫度系數,設置了修調電路提高基準電壓的輸出精度。采用0.8 μm BiCMOS工藝進行流片,帶隙基準源所占面積大小為0.04 mm2。測試結果表明:在5 V電源電壓下,在溫度為-40 ℃～125 ℃范圍內,基準電壓的溫度系數為1.2×10-5/℃,基準電流的溫度系數為3.77×10-4/℃;電源電壓在4.0 V～7.0 V之間變化時,基準電壓的變化量為0.4 mV,電源調整率為0.13m V/V;基準電流的變化量為變化量約為0.02 μA,電源調整率為6.7 nA/V。所設計的帶隙基準源具有高精度、低溫度系數,能滿足溫度傳感器的使用要求,并可用于電源管理類芯片中,具有較高的實用價值。

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Design of High Precision Low Temperature Coefficient Bandgap Reference with Trimming Based on BiCMOS Process*

WANG Wenjian*

(Applied Engineering College,Zhejiang College of Business,Hangzhou 310053,China)

A high precision low temperature coefficient bandgap reference is designed. The bandgap reference source corrects the non-linear temperature characteristic of the bandgap reference circuit of the first-order temperature coefficient by using the ratio of the resistance,so that the accuracy and the temperature coefficient of the reference voltage are greatly improved. The trimming circuit is also used to improve the output accuracy of the reference voltage. 0.8 μm BiCMOS(Bipolar-CMOS)process was used to fabricate the wafers. The bandgap reference circuit occupied 0.04 mm2. The results show that the temperature coefficient of the reference voltage is 1.2×10-5/℃ and the temperature coefficient of the reference current is 3.77×10-4/℃ in the temperature range of -40 ℃～125 ℃ under the 5 V power supply voltage. When the power supply voltage changes between 4.0 V～7.0 V,the variation of the reference voltage is 0.4 mV and power supply regulation rate is 0.13 mV/V,the variation of the reference current is about 0.02 μA and power supply regulation rate is 6.7 nA/V.

temperature sensor chip;bandgap reference;temperature coefficient;power supply regulation

王文建(1973-),男,碩士,高級工程師,從事電源管理和數?；旌霞呻娐吩O計和研究,540843839@qq.com。

項目來源:浙江省科技廳公益技術應用研究計劃項目(2017C31077)

2016-11-04 修改日期:2016-12-14

TN432

A

1004-1699(2017)05-0674-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.007