一種高精度低溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)源*

王文建

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院,杭州310053)

一種高精度低溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)源*

王文建*

(浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程學(xué)院,杭州310053)

通過(guò)相同材料電阻的比值來(lái)抵消帶隙基準(zhǔn)源的一階溫度系數(shù)來(lái)達(dá)到低溫度系數(shù),同時(shí)還設(shè)計(jì)了修調(diào)電路進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓的精度。采用0.8 μm BiCMOS 9V工藝流片,帶隙基準(zhǔn)源面積為0.035 mm2。結(jié)果表明:在-40 ℃～125 ℃范圍內(nèi),基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)為11×10-6/℃;電源電壓在4.5 V～9.0 V范圍內(nèi)變化時(shí),基準(zhǔn)電壓的變化量為0.4 mV,電源調(diào)整率為0.09 mV/V。

溫度系數(shù);修調(diào)電路;帶隙基準(zhǔn);電源調(diào)整率

在鋰電池充電管理集成電路中集成了對(duì)充放電過(guò)程中所有狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能,包括涓流充電監(jiān)測(cè)、恒定電流充電監(jiān)測(cè)、恒定電壓充電監(jiān)測(cè),自動(dòng)再充電監(jiān)測(cè)、充電終止監(jiān)測(cè)等,這些監(jiān)測(cè)是需要精度很高溫度系數(shù)很低的參考電壓作為比較點(diǎn),所以帶隙基準(zhǔn)電壓的性能直接關(guān)系到集成電路的性能。這就對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的性能提出了更高的要求,包括高輸出精度、低溫度系數(shù)、低電源電壓調(diào)整率、高電源抑制比等[1-12]。

本文設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源是通過(guò)相同材料電阻的比值來(lái)抵消帶隙基準(zhǔn)源的一階溫度系數(shù),獲得低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓;同時(shí)設(shè)計(jì)了修調(diào)電路以進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓精度,最后流片并給出測(cè)試結(jié)果。

1 電路實(shí)現(xiàn)

帶隙基準(zhǔn)源圖如圖1所示,包括啟動(dòng)電路和基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路。

1.1 啟動(dòng)電路

如圖1所示,上電后,M1和M2導(dǎo)通,使得M4、M5、M6的柵極為低電平而導(dǎo)通,啟動(dòng)電路開(kāi)始工作。當(dāng)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路開(kāi)始工作后,M1導(dǎo)通,M4、M5、M6的柵極拉到高電平,M4、M5、M6管截止,啟動(dòng)電路停止工作。

圖1 帶隙基準(zhǔn)源

1.2 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路

如圖1所示,啟動(dòng)電路停止工作后,M4、M5和M6處于截止?fàn)顟B(tài),此時(shí)由M8管提供電流。由于放大器的反饋?zhàn)饔?A和B點(diǎn)電位相同,流過(guò)Q1、Q2的電流相同。

Q2的發(fā)射極面積是Q1的8倍,所以流過(guò)R3的電流為:

(1)

設(shè)計(jì)中R3取60 kΩ,由此算出支路電流的值約為1.38 μA,與仿真結(jié)果一致。

(2)

兩邊對(duì)溫度求導(dǎo)有:

(3)

(4)

通過(guò)調(diào)整電阻比值可得到零溫度系數(shù)基準(zhǔn)電壓。

圖2 修調(diào)電阻

1.3 修調(diào)電阻RTRIM

如圖2為修調(diào)電阻,通過(guò)調(diào)整修調(diào)電阻RTRIM,一方面可以調(diào)整溫度系數(shù),另一方面也可以調(diào)整基準(zhǔn)電壓的輸出精度;其中A、B、C、D為修調(diào)點(diǎn),修調(diào)前修調(diào)點(diǎn)是通過(guò)鋁條連接的,把所并聯(lián)的電阻短掉。

根據(jù)式(2)得,修調(diào)前后的基準(zhǔn)電壓值與VBE、電阻比值有關(guān),因此修調(diào)前后的基準(zhǔn)電壓值由修調(diào)前后的電阻比值確定,可以把這個(gè)比值作為修調(diào)測(cè)試的判據(jù)。

具體燒斷哪個(gè)修調(diào)點(diǎn),根據(jù)表1查詢(xún)可知得。測(cè)試時(shí),記下修調(diào)前的基準(zhǔn)電壓值V0,然后用目標(biāo)值1.225 0 V除以V0得到X值,表1中查找接近的X值,由X值確定燒斷哪個(gè)修調(diào)點(diǎn)。例如,設(shè)修調(diào)前的基準(zhǔn)電壓值為1.210 0 V,則

查詢(xún)表1,序號(hào)4接近,需要修調(diào)A、B。

通過(guò)在修調(diào)點(diǎn)上加電流來(lái)燒斷鋁條。具體過(guò)程是:在修調(diào)點(diǎn)的一端PAD上加如圖3所示的電路,另一端PAD接地;在VCC端加電壓3 V,控制繼電器S1閉合30 ms。

圖3 修調(diào)點(diǎn)燒斷電路

序號(hào)修調(diào)點(diǎn)基準(zhǔn)電壓值/VX12345678910111213141516不修調(diào)ABA、BCA、CB、CA、B、CDA、DB、DA、B、DC、DA、C、DB、C、DA、B、C、D1．20191．20511．20791．21101．21411．21691．22011．22291．22591．22911．23181．23501．23781．24091．24381．24691．01921．01651．01421．01161．00901．00671．00401．00170．99930．99670．99450．99190．98970．98720．98490．9824

圖4 芯片版圖

2 芯片版圖

圖4為鋰電池充電管理集成電路版圖,其中帶隙基準(zhǔn)源面積為0.035 mm2。集成電路采用0.8 μm BiCMOS 9 V工藝進(jìn)行制作。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

鋰電池充電管理集成電路采用0.8 μm BiCMOS 9 V工藝進(jìn)行流片,對(duì)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試工具:穩(wěn)壓電源(精度為0.1 V)、示波器(兩種帶寬輸入,不同帶寬探頭具有不同寄生電容)、加熱爐、冷柜、萬(wàn)用表(電壓精確度為0.1 mV～1 mV,電流精確度為0.1 μA)等。

圖5為基準(zhǔn)電壓隨電源電壓VCC變化曲線(xiàn)。電源電壓VCC在4.5 V～9.0 V變化時(shí),基準(zhǔn)電壓VREF的變化量約為0.4 mV,電源調(diào)整率為0.09 mV/V。

圖5 基準(zhǔn)電壓隨電源電壓變化曲線(xiàn)

圖6為基準(zhǔn)電壓VREF溫度特性曲線(xiàn)。在6.0 V電源電壓下,在-40 ℃～125 ℃溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為11×10-6/℃。

圖6 基準(zhǔn)電壓溫度特性曲線(xiàn)

圖7為帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制特性曲線(xiàn),在低頻(小于1 kHz)時(shí)為-74 dB。

圖7 帶隙基準(zhǔn)源電源抑制特性曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)鋰電池充電管理集成電路對(duì)帶隙基準(zhǔn)源精度的要求,設(shè)計(jì)了一種高精度低溫度系數(shù)帶隙基準(zhǔn)源。該帶隙基準(zhǔn)源是通過(guò)相同材料電阻的比值來(lái)抵消帶隙基準(zhǔn)源的一階溫度系數(shù),獲得低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓;還設(shè)計(jì)了修調(diào)電路進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓的輸出精度;使得輸出的基準(zhǔn)電壓的精度和溫度系數(shù)有了很大改善。鋰電池充電管理集成電路采用0.8 μm BiCMOS 9 V工藝進(jìn)行流片,帶隙基準(zhǔn)源所占面積為0.035 mm2。測(cè)試結(jié)果表明:在6 V電源電壓下,在-40 ℃～125 ℃溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)為11×10-6/℃;電源電壓在4.5 V～9.0 V范圍內(nèi)變化時(shí),基準(zhǔn)電壓的變化量為0.4 mV,電源調(diào)整率為0.09 mV/V;在電源電壓6 V時(shí),帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制比在低頻(小于1 kHz)時(shí)為-74 dB。該設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源可廣泛應(yīng)用于電源管理類(lèi)集成電路中,具有較高的參考價(jià)值。

[1] 高獻(xiàn)坤,雷君召,丁赪璐,等. 高電源抑制比、低溫漂帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(4):442-444.

[2] 胡佳俊,陳后鵬,蔡道林,等. 高電源抑制比低溫漂帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)[J]. 微電子學(xué),2012,42(1):34-37.

[3] 張萬(wàn)東,陳宏,王一鵬,等. 高電源抑制比和高階曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源[J]. 微電子學(xué),2011,41(1):57-60.

[4] 楊寧,史儀凱,袁小慶,等. 高精度、低功耗帶隙基準(zhǔn)源及其電流源設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(1):58-63.

[5] 黎官華,王衛(wèi)東. 高刷新率高穩(wěn)定性L(fǎng)ED恒流驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[J]. 電子器件,2015,38(3):531-537.

[6] 徐星,袁紅輝,陳世軍,等. 高性能CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源及電流源的設(shè)計(jì)[J]. 半導(dǎo)體技術(shù),2011,36(3):229-233.

[7] 李沁蓮,陳向東,王麗萍,等. 基于襯底運(yùn)放的2階溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路[J]. 微電子學(xué),2011,41(3):332-335.

[8] 吳金,聶衛(wèi)東,常昌遠(yuǎn),等. 基于失配控制的非線(xiàn)性補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,41(5):917-922.

[9] 李睿,馮全源. 一種低功耗高精度帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(3):51-54.

[10] 朱彤,黃飛,謝森,等. 一種低溫度系數(shù)高驅(qū)動(dòng)能力的帶隙基準(zhǔn)電路[J]. 微電子學(xué),2011,41(4):545-549.

[11] 唐寧,李佐,李琦. 一種改進(jìn)的非線(xiàn)性匹配高階補(bǔ)償基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)[J]. 電子器件,2013,36(6):797-801.

[12] 楊金,代月花,宗桂林,等. 一種高電源抑制比低溫漂系數(shù)帶隙基準(zhǔn)電路[J]. 微電子學(xué),2014,44(3):297-300.

AHighPrecisionLowTemperatureCoefficientBandgapReference*

WANGWenjian*

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

By the same material resistance ratio to offset the bandgap of the first order temperature coefficient a low temperature coefficient is achieved,and the trim circuit is also designed to further improve the accuracy of the reference voltage. Used 0.8 μm BiCMOS 9 V process flow sheet,the bandgap reference area is 0.035 mm2. Test results show that in the temperature range of -40 ℃～125 ℃,the temperature coefficient of the reference voltage is 11×10-6/℃;when the power supply voltage variation is within the range of 4.5 V～9.0 V,the reference voltage variation is 0.4 mV,power adjustment rate 0.09 mV/V.

temperature coefficient;trim circuit;bandgap reference;power adjustment rate

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.003

項(xiàng)目來(lái)源:浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃項(xiàng)目(2017C31077);浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201635565)

2016-08-16修改日期2016-10-28

TN432

A

1005-9490(2017)05-1065-03

王文建(1973-),男,碩士,高級(jí)工程師,從事電源管理和數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)和研究,540843839@qq.com。