一种带有曲率补偿的宽输入带隙基准源设计

模拟集成电路中广泛包含着电压基准和电流基准源。提供参考电平的基准源，其性能直接影响整体电路的性能稳定。因此，设计宽输入范围、高精度、低温度系数的带隙基准源具有重要意义[1]。
本文设计了一种高精度基准电压源，电路首先使用Wilder结构，实现高电压转化为低电压，其后为启动电路，再接一个带有高阶曲率补偿的带隙基准源，实现曲率补偿，使基准具有低的温度系数。
1 带隙基准电路
本文提出的带隙基准电路如图1～图3所示。电路由高压转低压模块、启动电路模块、带曲率补偿的带隙基准核心模块3部分组成。
1.1 高压转低压模块
如图1所示，本模块所有MOS管均采用耐高压器件，并提出Widlar电路结构，可以将10 V～25 V高电压转换为4.0 V低电压，供给后续模块使用[2-3]。

(1)启动阶段分析
VIN电压逐渐升高，将会开启MNDB1与MNDB2管，使得电流流入电阻R3与R4从而开启三极管NPN1与NPN2；NPN1的集电极电压升高，从而开启NPN9管，并控制MNDB3管，使SVIN电压正确建立。
(2)工作原理
电路启动后，NPN9为Widlor结构电路提供负反馈，使环路稳定；电容C1A提供补偿，增加环路稳定性。如图1所示，负反馈回路使NPN1的集电极和NPN2的集电极电流相等。对于一个双极型器件，可以得到：

1.2 启动电路模块
启动电路的作用在于使带隙基准电路脱离简并点，使基准电路正常上电工作[4]。如图2所示，芯片上电时，MP1、MP2 和MP3管开启从而使MP4与MP5支路开启，为基准提供电流偏置。此时基准开始启动，启动阶段MP10与MP11管形成差分对，比较LB4与基准输出电压VOUT的大小。在基准建立时LB4上的VBE电压大于基准输出电压VOUT，因此MN3管开启。将LB1电位拉低，如图3所示，开启MP12、MP13和MP14管。当基准正常工作后，VOUT电压比LB4电压高，关断MN3，基准启动完成。

1.3 带曲率补偿的带隙基准核心模块
传统的带隙基准只是对VBE的一次项进行补偿。这种补偿精度较低，一般的传统的带隙电压基准的温度系数约为30 ppm/℃，要是带隙电压基准的精度继续提高，就必须对VBE的高阶进行补偿[5]。
本文设计了一种补偿简单的带隙基准电路。该电路特点是器件少，占用面积小，只需在传统的带隙基准电路的基础上，利用PN结二极管的伏安特性，通过添加一个串联的电阻R13和二极管NPN8，再与电阻R14并联实现。在补偿电路中，晶体二极管两端电压被偏置在导通电压0.7 V左右即可实现高阶曲率补偿。
由晶体二极管的温度特性可知，二极管两端正向导通电压随着温度的升高而略有下降，即晶体二极管正向导通电压具有负温度系数[6-7]。随着温度升高，二极管两端电压相应降低，电阻R13两端电压略有上升。正是利用了晶体二极管的这种特性，当补偿电流注入PTAT电流后，抵消了电流中所含的高阶非线性项，实现了高阶曲率补偿。
如图3所示，由于晶体二极管正向导通电压具有负温度特性，随着温度的提高，晶体二极管NPN8导通电压下降，通过二极管NPN8电流发生变化，与PTPA电流相叠加，达到高阶曲率补偿的目的。
LB1与电路启动模块相连，启动完成后，与启动模块断开。图4所示为运放OP1模块，电路采用电容CC1和调零电阻RC1串联补偿的方法，可提高电路稳定性。

下面分析图3中电阻R13、R14及NPN型二极管对电路的补偿作用。与高压转低压模块分析方法类似，电阻R9=R10，VLB5=VLB6，由式(3)可以得到电阻R11上的电压

本文主要设计了一种输入电压范围宽、高阶曲率补偿结构简单、温度特性较好的带隙基准源。在0 ℃～120 ℃温度范围内，其基准温度系数为0.501 ppm/℃；在输入10 V～25 V时，输出电压摆幅为31.49 mV。从而实现了输入电压范围较宽、精度较高的设计要求，适用于对精度要求较高的A/D、D/A转换器等元件中[8]。
参考文献
[1] 冯全源.带曲率补偿的带隙基准及过温保护电路研究与设计[D].西南交通大学，2009.
[2] 代赟，杨兴.带曲率补偿的带隙基准电流源的设计[J].物联网技术，2012(2)：64-66．
[3] SANSEN W M C.Analog design essentials[M]．陈莹梅，译．北京：清华大学出版社，2007．
[4] 毕查德·拉扎维.模拟CMOS集成电路设计[M].西安：西安交通大学出版社，2003.
[5] 廖敏，周玮.一种二阶曲率补偿的带隙电压基准[J]．现代电子技术，2009．
[6] ALLEN P E，HOLBERG D R．CMOS模拟集成电路设计(第2版)[M]．冯军，李智群，译．北京：电子工业出版社，2006．
[7] 陈星弼，张庆中.晶体管原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2008．
[8] 蒋师，杨维明，周一川，等.一种带曲率补偿的高精度带隙电压基准源[J].西安电子科技大学学报，2012(5)：39-43.