一種高階補償的開關電容帶隙基準電路設計

陸 婷，馮 喆

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

帶隙基準源是模擬電路設計中不可或缺的一個單元模塊，廣泛應用于各類模數轉換器、電源管理等芯片中，為系統提供直流參考電壓。傳統的連續時間帶隙基準電路，由于受運放失調電壓和1/f噪聲影響較大，而且為降低功耗，一般情況下會采用大阻值電阻，這都將犧牲大量芯片面積[1]。相比之下，基于開關電容的離散時間帶隙基準電路可以解決運放的失調電壓問題，正溫電壓與負溫電壓之間沒有直流電流，可使功耗最小化，因此為實現低壓低功耗高精度基準提供了有效的解決方案，現已廣泛應用于開關電路中。本次設計，即要在介紹傳統連續型和開關型基準架構的原理及優缺點的基礎上，詳細展開具有曲率補償的基準電壓源的設計。

2 帶隙基準電壓源原理

雙極型晶體管（BJT）的基極-發射極電壓（VBE）與絕對溫度成反比；在不同電流密度下，兩個雙極型晶體管的電壓差ΔVBE又與絕對溫度成正比。故此可通過一定的比例系數α、β 加權使正負溫度漂移相互抵消，從而得到在某一溫度下具有零溫度系數的電壓基準[2]。這一過程可用如下公式表述：

以此原理，可實現基準電壓在某一溫度域的“拱形”輸出，但溫度系數難以做到10-5/℃以下。在高精度應用下，往往需要溫度系數更小的基準電壓，這時可通過二階補償的方式降低溫度系數，通過電路架構引入二階補償項γΔVBE2，以獲得溫度系數更小的“正弦型”輸出基準電壓，公式如下：

3 傳統帶隙電壓基準架構

傳統連續型帶隙電壓基準電路[3]和傳統開關電容型帶隙電壓基準電路[4]的電路構造分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 傳統連續型帶隙電壓基準電路

圖2 傳統開關電容型帶隙電壓基準電路

其中I1=I2=I3，Q1、Q2發射結面積比為1：n。引入失調電壓源VOS，可推導出基準電壓公式如下：

傳統連續輸出基準電壓：

開關電容型輸出基準電壓為：

通過式(2)、式(3)、式(4)對比發現：兩種結構都無法完全消除掉失調電壓的影響。傳統基準電路會將運放的失調電壓放大后輸出，嚴重影響基準電壓的溫度特性。傳統架構的開關電容型基準電路雖沒能消除失調電壓，但失調電壓沒有經放大后輸出，相對于傳統型基準電路而言，具有更好的溫度系數[5]。

4 新型帶隙電壓基準架構

新型開關電容型基準電壓采用自動調零技術[6]消除了失調電壓的影響，并且通過架構巧妙地引入二階補償項，從而使基準電壓獲得更小的溫度系數。電路架構如圖3 所示。

圖3 采用自動調零開關電容式帶隙電路等效圖

圖3(a)中，Q1、Q2管并聯個數相同，通過電流比例1：N 來產生ΔVBE；通過Q3、Q4、I2、I3來產生補償電壓用來存儲ΔVBE，C2用來存儲失調電壓VOS，C3用來存儲補償電壓假定運放A 為理想運放，引入失調電壓源VOS。

當S1閉合、S2斷開時，電路進入采樣階段，如圖3(b)，運放輸出端與反向輸入端連接，運放為單位增益接法，有：VP=VN=VO=VBE1(n-1)-VOS。運放兩端的失調電壓VOS會存儲在電容C2中，由采樣階段到放大階段過程中VOS會被消除掉[7]。在閉合面S1中以運放反相端為參考點，則閉合面S1總電荷量如下式：

當S2閉合、S1斷開時，此時電路進入放大階段，如圖3(c)。注意此時Q1管的發射極電流為N·I1，在閉合面S2中以運放反相端為參考點，則閉合面S2總電荷量如下式：

根據電荷守恒定律Qn=Q(n-1)，計算推導得到基準電壓Vo公式如下：

最終基準電壓VO公式如下：

由于有失調消除電路的存在，運放輸入級可以用大寬長比的器件, 一方面提高了輸入級的跨導、減小溝道調制效應, 另一方面還減小了1/f 噪聲。

5 電路仿真

仿真條件為電源電壓3.3 V，時鐘頻率40 kHz，室溫25 ℃，TT 工藝角。仿真得到瞬態輸出波形如圖4 所示。輸出電壓約為1.1533 V。電路可在2.7 V耀5.5 V 電壓下工作，線性調整率為0.126 mV/V。

圖4 瞬態仿真波形圖

該電路是開關電容式帶隙基準，不能通過直流仿真得到基準電壓的溫度特性曲線，所以在TT 工藝角下，-55℃到125℃溫度范圍之內，每攝氏度測量一次輸出電壓，將電壓數據導入MATLAB 軟件中得到基準電壓的溫度特性曲線，如圖5 所示。曲線為“正弦型”，溫度系數約為4.17×10-6/℃?？紤]工藝偏差，SS、FF 工藝角下溫度系數分別為5.73×10-6/℃、6.19×10-6/℃。

圖5 輸出電壓溫度特性曲線

開關電路中在時鐘跳變過程中會產生噪聲，但是使用失調消除技術，噪聲引起的失調也會得到消除。此外，通過增大工作電流或運放輸入管尺寸，也能降低噪聲的影響。

開關型基準源與傳統連續型基準源的關鍵性能對比詳情見表1。經對比發現，在相同工藝下，開關型基準源各項參數指標均優于傳統基準結構，并且受失調電壓的影響非常小，具有更小的溫度系數和線性調整率。這些特點，令其尤其適用于高精度、多電源域、低功耗的電路中[8]。

表1 性能對比詳表

6 結 束 語

在對這一款開關電容型帶隙基準電路的設計中，利用了電容和模擬開關取代電阻，并在架構上引入高階補償項以獲得更小的溫度系數。采用自動調零技術消除了運放失調電壓的影響，在較大失調電壓的影響下，仍可以保持精確的電壓輸出。芯片具有良好的溫度特性，在0.35 μmCMOS 工藝下實現，溫度系數做到了4.17×10-6/℃，在20 mV 的失調電壓下，電壓漂移僅為20 μV。該電路對于各式僅在開關動作的某個時刻內需要精確電壓基準的電路及低功耗電路中將有良好表現，具有一定推廣價值。