基準(zhǔn)電壓源是模擬集成電路中一個至關(guān)重要的模塊，對系統(tǒng)性能至關(guān)重要。基準(zhǔn)電壓源不僅要求在電源電壓變化的情況下保持穩(wěn)定，而且要求在溫度變化時能保持高精度和不因工藝而變化。通常經(jīng)過一階補(bǔ)償后，帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)約為20 ppm/℃～30 ppm/℃，但是還不能滿足高精度的要求，因此需要對三極管的基極-發(fā)射極電壓進(jìn)行高階項溫度補(bǔ)償。

    基于分段線性補(bǔ)償原理，本文提出的補(bǔ)償方法僅利用一股與溫度呈平方關(guān)系的電流，就同時實(shí)現(xiàn)了低溫和高溫段的補(bǔ)償。
1 補(bǔ)償原理分析
    傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源是利用三極管基極-發(fā)射極電壓VBE隨溫度下降與用正溫度系數(shù)電流流過電阻而轉(zhuǎn)換成的電壓疊加來進(jìn)行一階補(bǔ)償?shù)腫1-3]。由于VBE與溫度為非線性關(guān)系[4-5]，而且還包括高階項，在低溫和高溫時表現(xiàn)更明顯，因此需要加入其他補(bǔ)償。利用泰勒公式將VBE展開得到[4]：
    

2 整體電路結(jié)構(gòu)
    完整的帶曲率校正的帶隙基準(zhǔn)電路圖如圖2所示。MP8、MP9、R7、MN6、MN7和R8構(gòu)成啟動電路。當(dāng)電路處于簡并狀態(tài)時，MN6和MN7開通，MP9的柵極電位被拉低并且導(dǎo)通，隨后MP8的柵極電位也被拉低，MP8導(dǎo)通，電流注入Q4的基極，整個電路啟動完成，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。基準(zhǔn)電壓核心由Q0、Q1、Q4、Q5和R1～R4構(gòu)成。Q3和Q2將Q0和Q1集電極鉗位在一個基極-發(fā)射極電位上，避免因集電極電位不等而產(chǎn)生厄爾效應(yīng)，使Q0和Q1的集電極電流不等，這樣就省去了使用運(yùn)算放大器來鉗位，使得結(jié)構(gòu)簡單，功耗小。

    R1～R4的阻值相等，根據(jù)電阻兩端的電位相等可以推出Q0和Q1 的集電極電流相等。忽略基極電流，可以得出R0上的PTAT電流為：
  
    式(7)中的第二項是一階項補(bǔ)償，最后一項是對VBE的二次項補(bǔ)償。通過設(shè)置合適的R1、R3得到最優(yōu)的溫度系數(shù)，調(diào)節(jié)IOUT進(jìn)行二次補(bǔ)償就可以得到溫度系數(shù)很好的帶隙基準(zhǔn)電壓。
    如果IOUT設(shè)置恰當(dāng)，就可以既補(bǔ)償高溫又可以補(bǔ)償?shù)蜏?。本設(shè)計中是通過設(shè)置合適的A、B點(diǎn)電壓來設(shè)置IOUT隨溫度變化曲線的中心線，使得IOUT曲線中心軸正好是一階補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓溫度曲線的中心軸，這樣可以得到較好的補(bǔ)償。設(shè)計中利用基準(zhǔn)電壓的分壓設(shè)置A點(diǎn)的電壓，由于經(jīng)過一階補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VBE，B點(diǎn)連接在三極管的基極，且VBE隨溫度增大而下降，所以可認(rèn)為A點(diǎn)電壓相對于B點(diǎn)是近乎不變的。設(shè)置A點(diǎn)的電壓在溫度小于T1（一階補(bǔ)償后基準(zhǔn)電壓零溫度系數(shù)的點(diǎn)）時小于VBE，此時MP0的電流大于MP2，IOUT約等于MP0的漏極電流，且隨著溫度偏離T1越大，IOUT就越大；當(dāng)溫度大于T1后，A點(diǎn)電壓大于B點(diǎn)電壓，IOUT約等于MP2的漏極電流，且隨著溫度的增加而增大，如圖3所示。這樣，帶隙基準(zhǔn)電壓源在低溫和高溫時都可以通過IOUT得到補(bǔ)償，最優(yōu)化后可以得到很好的溫度系數(shù)。

    反饋環(huán)路的設(shè)計由C0、R4、R2和Q2、Q4組成。當(dāng)基準(zhǔn)電壓Vref升高時，Q4的基極電位上升，從而Q2的基極電位也上升，這樣Q2的集電極電流就會增大，將Q4的基極電位拉低，Vref就會降低，最后達(dá)到穩(wěn)定。C0用來設(shè)置環(huán)路的相位裕度。
    本設(shè)計的基準(zhǔn)電壓補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)簡單，對于A點(diǎn)的電位很容易獲取，B點(diǎn)可以從任何帶三極管的基準(zhǔn)電路中得到，即使是MOS管也可以，因為其閾值電壓也是隨溫度呈線性下降的[3]，而且可以根據(jù)電路應(yīng)用合理設(shè)置IOUT的中心軸，來達(dá)到最好的補(bǔ)償效果。該結(jié)構(gòu)也可以很容易地移植到其他需要補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電路中。
3 仿真結(jié)果與分析
    本設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)電壓電路采用0.5 μm BCD工藝，用Cadence進(jìn)行仿真。仿真溫度為-35 ℃～135 ℃，電源電壓為5 V。
    圖3和圖4分別是一階補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度特性和二階補(bǔ)償電流隨溫度變化的曲線。從圖3、圖4可以看出，一階補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)電壓在低溫段正溫度系數(shù)稍大，高溫段負(fù)溫度系數(shù)過大；而二階補(bǔ)償電流IOUT是溫度的平方函數(shù)，低溫段負(fù)溫度系數(shù)大于正溫度系數(shù)，高溫段正溫度系數(shù)大于負(fù)溫度系數(shù)，與一階補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓溫度特性剛好相反，且60 ℃時最小，兩頭較大，偏離60 ℃越遠(yuǎn)，IOUT就越大。可以很好地提高基準(zhǔn)電壓的低溫段和高溫段溫度特性。

    圖5是經(jīng)過二階補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)電壓源隨溫度的變化關(guān)系曲線圖。從圖中可以得知，經(jīng)過二階補(bǔ)償后，電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)大大改善，溫度系數(shù)降至2.82 ppm/℃。

    本文利用分段線性補(bǔ)償和二階補(bǔ)償原理設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)新穎的帶隙基準(zhǔn)電壓源，其溫度系數(shù)特性好，易
于移植到其他電壓基準(zhǔn)電路中，并且電源抑制比也符合設(shè)計要求。仿真結(jié)果表明，溫度范圍在-35 ℃～135 ℃時，溫度系數(shù)降至2.82 ppm/℃。
參考文獻(xiàn)
[1] 畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2003：312-314.
[2] MEIJER G C M，SCHMALE P C，ZALINGE K V.A new curvature conrrected bandgap reference[J].IEEE J.Solid  State Circuit，1982，SC-17(11)：1139-1143.
[3] SONG B S，GRAY P R.A precision curvature-compensated  CMOS bandgap reference[J].IEEE J.Solid State  Circuit，1983，18(6)：634-643.
[4] LEUNG C Y，LEUNG K N.Design of a 1.5 V high order  curvature compensated COMS bandgap reference circuits and  systems[C].ISCA′04，Proceeding of the 2004 Internationl Symposium，2004.
[5] LEE I Y，KIM G D，KIM W C.Exponential curvature compensated BiCMOS bandgap references[J].IEEE J.Solid State Circuit，1994，29(11)：1396-1403.
[6] 張春茗，邵志標(biāo).高精度分段曲率校正CMOS帶隙基準(zhǔn)的設(shè)計[J].電子學(xué)報，2007，35(11)：2193-2197.