一种新型的电流模式曲率补偿带隙基准源

摘要：提出了一种新型的低压带隙基准源，与传统的带隙基准不同，该电路引入了第三个电流，以消除双极型晶体管射基电压的温度非线性项，从而实现曲率补偿。采用0．18μm CMOS工艺进行设计验证，HSpice仿真结果表明，室温下的输出电压为623 mV，-55～+125℃范围内的温度系数为4．2 ppm／℃，1．0～2．1 V之间的电源调整率为0．9 mV／V。
关键词：带隙基准源；曲率补偿；低压；温度系数

基准电压源广泛应用于A／D和D／A转换器、开关电源等电路之中。在众多的基准电压源中，由于带隙基准能成功地在标准CMOS工艺中实现，并得到良好的性能而广受欢迎。随着电池供电产品(如手机，笔记本电脑等)的发展，对低压电源电压的要求也逐步增高。利用电阻分压的方法和低阈值电压器件能够实现可工作在1 V以下的CMOS带隙基准源。
同时，由于数据转换精度的不断提高，基准源的温度稳定性也面临着新的挑战。许多曲率补偿技术应运而生，诸如：二次温度补偿、指数温度补偿、分段线性曲率校正、电阻温度补偿等等。除了上述的这些方法外，M．D．Ker和J．S．Chen还提出了一种可工作在1 V以下的新型曲率补偿带隙基准，所用的结构利用到了NPN和PNP两种寄生双极型晶体管(BJT)。本文提出了一种类似的补偿技术，但仅需用到PNP型BJT。

1 传统低压带隙基准源的工作原理
图1是传统低压带隙基准的电路结构。该基准电路能够工作在低电源电压的关键是将电压叠加转换成电流叠加。如图1所示，输出电流和输出电压可分别表示：

式中：VT是热电压，VT=kT／q；k为波尔兹曼常数(1．38×10-23J／K)；q为电子的带电量(1．6×10-19C)，N为BJT管Q1和Q2的发射结面积比。以上两式的最后一项都是线性正比于绝对温度(PTAT)，被用于补偿Veb2的负温度系数。只要合适地选择N，R1，R2和R3，就能得到一个具有低温度漂移特性，且值低于1 V的参考电压。然而，与式(2)的最后一项相比，Q2的射基电压(Veb2)并不是关于温度理想线性的。BJT管的
射基电压Veb可以表示为：

式中：VG为0 K时硅材料的外推带隙电压值；η为与工艺技术相关的系数；m为BJT管集电极电流的温度依赖阶数；T0为参考温度。

上式中包含了一个温度非线性项Tln(TVT／T0)。将式(3)做泰勒展开，可得：

式中：a0，a1，a2，…，an都是常数。一阶温度补偿技术主要是补偿a1T项，这是传统带隙基准源的情况。若要得到更低的温度系数，需要采用曲率补偿技术去补偿式(4)中的那些高阶项。类似于图1，本文提出的电路结构也基于电流叠加模式原理。电路中引入了第三个电流，以补偿Veb的非线性，实现曲率补偿。

2 新型曲率补偿的带隙基准结构
2．1 电流IREF2的引入
从式(3)可以看出来，Veb的非线性特性可以通过改变BJT管的集电极电流温度特性加以控制。本文将要介绍的温度补偿技术正是基于这个性质。图2显示了第三个电流IREF2的引入。如图2所示，IREF2是由BJT管Q2的射基电压产生的，Q2的集电极电流是一个与温度无关的电流IREF，由输出参考电流镜像得到。因此，与传统带隙基准的BJT管的射基极电压不同，管Q2的射基电压VebQ2的m=0。下面将具体介绍如何利用IREF2进行曲率补偿。

2．2 电路结构与分析
实现低压工作和曲率补偿的完整电路结构如图3所示。该电路共包含了5个部分：2个电流生成电路，1个偏置电路，1个启动电路和1个电流相减电路。图中IREF1是2个电流之和，由传统的带隙基准电路产生，可表示为：

通过电流镜的镜像，得到IREF为：

式中：K1是M3和M2的宽长比比值；K2是M9和M7的宽长比比值。因为Q1a和Q1b的集电极电流为PTAT电流IPTAT，而Q2的集电极电流为与温度无关的电流IREF，回顾式(3)，VebQ1a和VebQ2可分别写成：

通过改变RREF的阻值，可以得到数值在VDSsat(M9)和VDD-|VDSsat(M3)|之间的任何电压值。晶体管M1～M4工作在饱和区，当漏端电流减小时，它们的源漏电压可以很小。所以，该带隙电路的VDD理论上可以降至Veb(典型情况为0．7 V)。上述电路中，电流镜被充分使用，不但用于产生参考电流，管Q2的偏置电流，还用于偏置运放。为了最大限度地减小电流镜的失配，管子的长度应取足够长，并且输出电压取值宜在0．6 V左右。Ms1～Ms5构成了启动电路，以避免电路工作在零电流状态。Ms2的宽长比应小于1，确保电路启动后Ms3～Ms5是完全关断的。

3 仿真验证
采用标准0．18μm CMOS工艺进行设计验证，HSpice仿真结果表明，该电路能在1～2．1 V的电源电压范围内正常工作，并得到0．9 mV／V的电源调整率。图4为电源电压在0～2．1 V变化范围内，温度300 K时参考电压的输出波形。图5显示了输出参考电压VREF的温度特性，在-55～+125℃的温度范围内，该电路平均输出电压为623 mV，温度系数达到4．2 ppm／℃。