0 引言

    在高精度集成电路系统中，低温度系数﹑低工作电压基准源的设计十分重要，基准电压的温度特性直接影响电路精度和性能。本文根据低温度系数﹑低工作电压的要求，基于标准CMOS工艺设计，采用低压运算放大器，提出了温度曲率校正的方法，最终实现了低温度系数﹑低工作电压的CMOS带隙基准源设计。经过仿真验证，电源电压在1.3 V时电路可以正常工作，输出电压的平均温度系数约为2.2 ppm/℃。

1 一阶温度补偿电路

    如图1所示，电路中采用了一种低电压运算放大器进行钳位，保证M、N电压近似相等。电路设计器件M₁、M₂、M₃的尺寸相同，Q₁和Q₂的发射极面积为M：1，电阻R₁=R₂。

    由于：V_M=V_N、R₁=R₂、I₁=I₂=I₃，所以：I_1a=I_2a、I_1b=I_2b

    I_1a=V_BE1/R₁、I_1b=I_2b=(V_BE1-V_BE2)/R₃=V_T ln M/R₃

    I₃=I₁=I₂=I_1a+I_1b=V_BE1/R₁+V_T ln M/R₃

    输出电压：

    从式(1)可知，V_BE1为负温度系数电压，V_T ln M为正温度系数电压，所以输出电压V_OUT为一个经过一阶温度补偿的电压，可以通过调整电阻比值和系数M调整输出电压V_OUT的大小和精度。

2 曲率补偿

    图1所示的电路并不能满足对高精度基准源输出的要求，原因是双极晶体管的基极-发射极电压V_BE，即PN结二极管的正向电压是负的高阶温度系数，一阶温度补偿电路不能消除高阶温度系数影响，要减少带隙基准源的温度系数，必须消除高阶温度系数的影响。曲率校正电路如图2所示。

    图2中M4、M5、M10、M11、R₅构成偏置电路，M10、M11工作在亚阈值工作区，利用MOS器件的亚阈值特性为C点提供正温度系数的偏置电压，C点提供正温度系数的偏置电压，器件M6、M7、M8、M9的电流是温度的高阶函数。设计M7和M9尺寸相同，进而电流I₇=I_n。

    V_D=V_T ln(I_c/I_SS)，V_E=V_T ln[(I_d+I_n)/I_SS]

    在D、E两点产生电压差，I_n×R₄=(V_D-V_E)=V_T ln[(I_d+I_n)/I_SS]。

    I_n对温度求偏导得：

    由式(2)可知，将高阶温度补偿电流I_n引入到一级温度补偿电路作为补偿电流，输出电压式(1)调整为：

    式(3)中，I_n是温度的高阶函数电流，通过调节补偿电流的大小可以调节V_OUT的高阶温度系数。

3 电路仿真

    如图3所示，电源电压VCC为1.8 V，温度扫描范围为-20 ℃～120 ℃，一阶温度补偿电路输出电压平均温度系数为11 ppm/℃。

    如图4所示，电源电压VCC为1.8 V，温度扫描范围为-20 ℃～120 ℃。从图中可以看到补偿电流是温度的高阶函数。

    如图5所示，经过曲率校正电路校正，电源电压VCC为1.8 V，温度扫描范围为-20 ℃～120 ℃，输出电压平均温度系数为2.2 ppm/℃。

    如图6所示，在27 ℃环境下，对电源电压进行DC扫描，电源电压大于1.3 V电路就可正常工作。

    比较图3和图5所示的Hspice仿真结果，可以发现经过曲率校正电路对输出电压进行高阶温度补偿，使得输出电压平均温度系数从原来的11 ppm/℃减小到2.2 ppm/℃，输出电压具有更高的输出精度。图6所示，在27 ℃环境下，电源电压在1.3 V时电路就可以正常工作了。

参考文献

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[4] 周耀，汪西川，陈光明.一种采用曲率补偿技术的高精度带隙基准电压源的设计[J].微计算机信息，2004(12).