基于溫度補償的無運放低壓帶隙基準源設計

摘要：設計了一種帶溫度補償的無運放低壓帶隙基準電路。提出了同時產生帶隙基準電壓源和基準電流源的技術，通過改進帶隙基準電路中的帶隙負載結構以及基準核心電路，基準電壓和基準電流可以分別進行溫度補償。在0．5μmCMOS N阱工藝條件下，采用spectre進行模擬驗證。仿真結果表明，在3．3 V條件下，在-20～100℃范圍內，帶隙基準電壓源和基準電流源的溫度系數分別為35．6 ppm／℃和37．8 ppm／ ℃，直流時的電源抑制比為-68 dB，基準源電路的供電電壓范圍為2．2～4．5V。
關鍵詞：基準電壓；基準電流；帶隙負載結構；溫度系數；電源抑制比

帶隙基準源是集成電路中一個重要的單元模塊。目前，基準電壓源被廣泛應用在高精度比較器、A／D和D／A轉換器、動態隨機存取存儲器等集成電路中。隨著大規模集成電路的發展，具有低溫漂的基準電壓源與基準電流源越來越多地被要求設計在同一個集成電路中。傳統的帶隙基準源電路一般以產生低溫漂的基準電壓為設計目的，由于薄膜電阻阻值受溫度影響，并不能得到溫度特性較好的基準電流。
本文結合低壓技術，利用薄膜電阻的正溫度系數對基準電流進行補償，通過改進帶隙基準電路中的帶隙負載結構對基準電壓進行補償，基準電壓和基準電流可以同時分別進行溫度補償。提出一種同時產生穩定低壓基準電壓源和基準電流源的低功耗電路。此基準電路結構簡單、占用芯片面積小、功耗低，可以廣泛虛用于各種集成電路中。

1 傳統低電壓帶隙基準源
圖1為傳統低壓帶隙基準電壓源的原理示意圖。雙極性晶體管的基極一發射極電壓Vbf，具有負溫度系數，當溫度為300 K時，其溫度系數一般為-1．5 mV／K。而熱電壓VT具有正的溫度系數，其溫度系數為+0．087 mV／K。由于運算放大器組成反饋環路，X點與Y點電壓相同，M點與N點電壓相同，電阻R1的壓降就等于Q1與Q2的電壓差△Vbe，輸出電流Iref與輸出電壓Vref可以分別表示為：


選取合適的電阻比例(R2+R3)／R1，可以得到與溫度無關的基準電壓Vref，但是由于R2與R3的溫度系數TCR不為零，則不能得到與溫度不相關的電流Iref。