一种带隙基准电路电压源设计

一种带隙基准电路电压源设计

陈疆川,任建,郑元敬,刘颐行,姚文广

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，沈阳 110870）

摘要：针对传统带隙基准源仅采用一阶温度补偿技术导致温度系数较差的问题就需要采用高阶曲率补偿电路。曲率补偿的方法是通过在基准源输出电压上叠加一个温度的指数函数，从而实现高阶补偿的目的。电路基于tsmc0.18um工艺，Candence行仿真。测试结果表明，温度由-40℃变化到125℃时,使用高阶温度补偿后带隙基准电压的温度漂移系数为6.60ppm/℃电源抑制比62.81dB。

关键词：带隙基准电路、曲率补偿

引言

基准源是模拟电路或者数模混合信号集成电路的重要组成部分，基准源的建立要求是与电源、工艺和温度无关的电压源或者电流源，基准源在整个电路或者系统中通过对基准电压比来处理输入信号，此时基准的性能会直接影响电路或者系统的性能。所以基准源应该具有的抗干扰能力，此时就要降低基准源的温度系数，同时保证有较大的抑制比。

一般的带隙基准电路只采用一阶温度补偿的策略来实现基准源的设计，但是要降低温度系数，就要采用高阶温度补偿策略。把一阶线性电流引人三极管的集电极，利用三级管基极-发射极电压的叠加得到产生一个具有高阶温度系数补偿电流，然后将高阶温度系数补偿电流产生的电压与一阶温度补偿电流产生的电压叠加实现多阶温度补偿，此外可以调整电阻的阻值来控制正带隙电压的温度特性，利用电路中的运放与负反馈来提高电路的电源电压抑制比。

1.电路设计

已知带隙基准是由正温度系数电压（PTAT）与负温度系数电压（CTAT）按照一定比例组合产生与温度无关的基准电压（Vref）。传统基准源设计由pnp三极管Q1与Q2的VBE之差产生了PTAT电压，再通过R1将PTAT电压转化为电流输出，然后利用运放出入端V+、V-相同输出电压为0V，运放将R1产生的PTAT电流通过Q5、Q6的电流镜拷贝输出，R2作为负载和Q3一起将PTAT电流转化为电压输出，电路所有的三极管都为二极管连接方式。

1-1传统带隙基准源

1.1研究方案

带隙基准电压源的基本原理就是用具有正温度系数的PTAT电压与具有负温度系数的VBE 电压相叠加，从而形成低温度系数的输出电压。带隙基准电压源的输出电压Vref可以写为:

双极晶体管集电极电流 IC与 VBE 之间关系应写为:

具体仿真是要先选择一个参考温度Ta,然后分析当温度T在Ta附近变化时VBE(T)。VBE(T)的一般表达式比较复杂，但在 IC与温度如下关系时，可以得到相对简单的表达式:

T是自由变化的温度，但一般选在室温。单位都采用绝对温标。VBE(Ta)是在参考温度处的VBE值。注解：是一个与工艺有关的常数。

拓展：如果能使，则最终可使Vref 等于一个物理学常数。多种曲率补偿带隙基准源就是从这种思路出发设计的。但是忽略了工艺的偏差，在没有修调的方法下，曲率补偿无法实现。

1.2对方案进行验证

在传统的带隙基准源的基础上，我们采用二级密勒补偿运算放大器和负反馈回路，在功耗尽量不增加的情况下，改善电路的电源抑制比。

2.电路图展示

2-1基于高阶曲率补偿的带隙基准源

2-2二级密勒补偿运算放大器

3.结论

采用一组带隙电路和一组三级管基极-发射极电压的叠加产生的高阶温度系数电压，最后利用其电压比例相加实现二阶温度补偿,同时通过负反馈回路和增大运放增益来提高电源抑制比，设计出一个低温度系数的带隙基准电压源，在-40℃-125℃温度范围内温度系数温度漂移系数为6.60ppm/℃电源抑制比62.81dB。在工艺环境产生一定范围的变化时更方便的调整输出来使温度系数保持不变，能满足更复杂的使用条件。

4.可实施的具体改进方案

在面对带隙基准源的温度特性和失配时，可以分析并对比常见的度补偿技术和失调消除技术来对电路进行改进；在面对电压型、电流型CMOS带隙基准源时，可以对三极管负温度系数特性电压VBE进行检测，在电路支路进行分段温度补偿；在面对带隙基准源中运放随着电源电压的降低，模拟电路信号的动态范围越来越小时，为了在低电源电压下维持良好的电路性能，要对噪声指标同步降低，可以电路外部加滤波电容，但是此方法只能滤掉电路的高频噪声。解决只过滤高频噪声问题时，可以通过基准源的运放使用了斩波稳定技术，从而降低了低频的闪烁噪声。通过结合传统基准源和低压电流模型基准源，提出了一种改进结构，从而降低了基准源输出端的噪声。

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