一種具有高階溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS電壓基準(zhǔn)源

侯俊芳 （天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津 300350）

0 引言

電壓基準(zhǔn)源是高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集器以及智能傳感器芯片中的重要模塊電路；它的溫度特性是衡量電壓基準(zhǔn)電路的重要指標(biāo)。近年來許多研究者對(duì)電壓基準(zhǔn)源的溫度特性進(jìn)行了深入研究。[1-4]雙極型晶體管BE結(jié)的負(fù)溫度特性是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)闹饕蛩亍Ｒ浑A溫度補(bǔ)償中通常近似BE結(jié)的溫度特性為線性函數(shù)，其溫度系數(shù)大約為1.5mV/℃。但是其溫度特性的非線性引起一階溫度補(bǔ)償?shù)恼`差，如公式（1）所示：

BE結(jié)電壓的實(shí)際溫度特性曲線與一階近似的差異如圖1所示。其中VG是硅材料的能隙電壓。

針對(duì)一階溫度補(bǔ)償?shù)臏囟确蔷€性因素，本文給出一種高階的溫度補(bǔ)償方法，在更寬泛的溫度范圍內(nèi)得到具有良好溫度穩(wěn)定性的電壓基準(zhǔn)源。文章給出溫度曲率補(bǔ)償?shù)姆椒半娐返膶?shí)現(xiàn)和仿真驗(yàn)證的結(jié)果；最后針對(duì)電壓基準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行討論。

1 高階溫度曲率補(bǔ)償

通常情況一階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源由負(fù)溫度特性的BE結(jié)電壓和一個(gè)正溫度特性（PTAT）的電壓構(gòu)成。正溫度特性電壓通過兩個(gè)晶體管的BE結(jié)電壓差值產(chǎn)生，如公式（2）：

不同比例系數(shù)K可以調(diào)整電壓基準(zhǔn)源的拐點(diǎn)溫度，即零溫度系數(shù)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度值。

高階溫度曲率補(bǔ)償通過疊加兩個(gè)不同溫度拐點(diǎn)的一階溫度補(bǔ)償電壓實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，電壓V1的拐點(diǎn)在低溫，電壓V2的拐點(diǎn)在高溫。電壓VA是電壓V1和V2的疊加，因此電壓VA應(yīng)當(dāng)結(jié)合它們的溫度特性，具有高階溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

圖3給出一種高階溫度補(bǔ)償電路的示意圖。因?yàn)閳D中示意的基準(zhǔn)輸出采用電流-電壓轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)，所以假設(shè)電阻的溫度系數(shù)為零。電流IPTAT由PTAT電壓產(chǎn)生，電流ICONST由一階溫度補(bǔ)償?shù)碾妷寒a(chǎn)生。輸出基準(zhǔn)電壓VA的表達(dá)式為：

設(shè)置一階溫度補(bǔ)償電壓V1和V2具有不同的拐點(diǎn)溫度：V1的拐點(diǎn)溫度為10℃，V2的拐點(diǎn)溫度為100℃。輸出電壓VA將是具有高階溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓。

2 電路實(shí)現(xiàn)與仿真驗(yàn)證

采用TSMC-0.5 BCD工藝實(shí)現(xiàn)高階溫度補(bǔ)償電路，如圖4所示。電路分為5個(gè)模塊：?jiǎn)?dòng)電路start-up，偏置電路bias_gen，PTAT電流產(chǎn)生電路PTAT_gen，負(fù)溫度系數(shù)電流產(chǎn)生電路Ibe_gen和電壓基準(zhǔn)源輸出電路reference core。對(duì)比圖3電流ICONST由PTAT電流和Ibe電流按照一定比例構(gòu)成。輸出電壓可以通過輸出電阻分壓調(diào)整到需要的電壓值。

基于Cadence仿真器，對(duì)高階溫度補(bǔ)償電路的特性進(jìn)行驗(yàn)證。在5 V電壓源的條件下，設(shè)計(jì)輸出電壓VA為2.4 V，輸出阻抗最小3.5 KΩ，輸出電流能力10μA。其溫度特性仿真結(jié)果如圖5所示，兩個(gè)拐點(diǎn)溫度的出現(xiàn)符合設(shè)計(jì)的初衷。在-40～150℃范圍內(nèi)，有效溫度系數(shù)每攝氏度為13mg/m L。

電路的線性電源調(diào)整能力和電源抑制能力分別如圖6和圖7所示。電路需要的最低工作電源為3 V，線性調(diào)整特性小于1%；直流電源抑制比54 dB，100 kHz頻率下電源抑制比30 dB。圖8給出此電路的瞬態(tài)啟動(dòng)特性；啟動(dòng)時(shí)間5μs的電源下，高階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源大約需要60μs的啟動(dòng)響應(yīng)，并且沒有過沖電壓出現(xiàn)。綜合以上，高階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源表現(xiàn)出良好的電路特性。

3 結(jié)論

文章給出一種高階溫度補(bǔ)償電壓基準(zhǔn)源的實(shí)現(xiàn)方法，基于TSMC-0.5μm BCD工藝，實(shí)現(xiàn)在-40～150℃范圍內(nèi)，有效溫度系數(shù)每攝氏度為13mg/m L。這種方法不需要修正電路，易于實(shí)現(xiàn)，并且可以根據(jù)需求輸出不同的電壓值。實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)考慮PTAT電流和Ibe電流產(chǎn)生模塊中的電流鏡失配和電阻的溫度特性對(duì)電路特性的影響。

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