0 引言

    帶隙基準(zhǔn)作為模擬電路中的重要的組成模塊,，應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,、線性穩(wěn)壓器,、DC-DC轉(zhuǎn)換器、存儲器等,。低功耗,、低溫漂已成為帶隙基準(zhǔn)設(shè)計中的熱點與難點,。在以往的研究中，多數(shù)設(shè)計僅實現(xiàn)其中一個方面^[1-3],。一些低功耗的設(shè)計,，其溫度系數(shù)較差或溫度范圍較窄；一些高精度的設(shè)計則往往伴隨著復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)與高功耗,。本文設(shè)計了一款低功耗且低溫漂的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu),。

1 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)

    傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)如圖1所示，圖中由MN3,、MN2,、MP5與MP6構(gòu)成啟動電路，當(dāng)電路中存在0的簡并點時,，運放輸入端為低電位而輸出端為高電位,，此時電流為0，MP3漏極為低電位使得MN3關(guān)斷并在其漏極形成高電位,，通過反向器控制MP6導(dǎo)通注入電流,，使得整個環(huán)路開啟，開啟后MN3導(dǎo)通使得MP6關(guān)斷,。

    環(huán)路正常工作時,，由運放輸入端鉗制Q1的發(fā)射極與電阻R₀的上端電位相等，降落在R₀的壓降可以表示為：

    其中ΔV_be為雙極性晶體管Q0與Q1的發(fā)射極電位差,，N為Q0與Q1的比值,。此電位差具有正的溫度系數(shù)，且電流復(fù)制到MP3的漏級,，在電阻R₁上的壓降為：

    η為工藝參數(shù),，x為電流依賴于溫度的階數(shù)，T_r為參考溫度,，恒流下V_be隨溫度的變化曲線如圖2所示,。

    由式(4)與式(5)可得：

    若令式(3)中：

則在溫度T_r附近表現(xiàn)為零溫度系數(shù)，而在此溫度T_r前表現(xiàn)為正溫度特性,，在溫度T_r后表現(xiàn)為負(fù)溫度特性,。故傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)曲線為拋物線型。

2 低溫漂低功耗實現(xiàn)方法

    在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)設(shè)計當(dāng)中,，由于運放消耗了大量的電流,，可以通過圖3的方式降低功耗，并通過引入隨溫度變化的阻抗降低溫漂,。圖中MN6,、MN7、MP8、MP9構(gòu)成啟動電路,，由MN/P1,、MN/P2,、MN/P3,、MN/P4構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)使得MN1、MN2源極電位相等,，以此減少了大量的支路節(jié)省了電流,。

    圖3中的MP7管與一串串聯(lián)的二極管及MN5實現(xiàn)了隨溫度漸變的阻抗，當(dāng)采取足夠多的N個二極管串聯(lián)時,，忽略MP7的阻抗,，則每個二極管分壓為V_DD/N，使得每個二極管的分壓小于其開啟電壓,，而二極管的內(nèi)建電勢差,，即開啟電壓可以表示為：

    可見結(jié)電壓隨溫度線性的減小，系數(shù)約為-2 mV/℃,，則在此電路中,，由下向上的第n個二極管表現(xiàn)為-2n mV/℃的溫度特性。

    綜上所述,，當(dāng)溫度較低時每個二極管壓降恒定為V_DD/N,，當(dāng)溫度達(dá)到一定值使得二極管開啟時，此時二極管壓降隨溫度線性地下降,。圖4為圖3中串聯(lián)二極管各節(jié)點的溫度掃描仿真結(jié)果,。

    在圖3中R₂為一阻值較小的電阻，其上壓降較小,，故MN5工作在深線性區(qū),，此時的MN5阻抗可以表達(dá)為：

    此阻抗可以近似為V_GS的一元函數(shù)，當(dāng)V_GS減小時,，阻值變大,。

    將二極管P端的電位作為此線性區(qū)MOS的控制信號，則可以實現(xiàn)阻抗在超過某一溫度后逐漸增大,，而在此溫度之前保持不變,。通過對此MOS管的寬長比設(shè)計可以控制阻值的變化率。隨著V_GS的減小,，R_on的進一步增大,，而R_on與R₂的串聯(lián)整體阻抗將不會超過R₂，忽略亞閾值效應(yīng),，即：

    式(13)中的R₂||R_on5會在二極管開啟溫度之前保持恒定阻抗不變,，而在二極管開啟后阻抗隨溫度逐漸增大最終逼近極限值R₂。故使得溫漂曲線在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)基礎(chǔ)上，表現(xiàn)為負(fù)溫度特性后由于阻抗的增加電壓回升,，在此阻抗逼近極限后失去調(diào)節(jié)能力又使得電壓回落,。傳統(tǒng)帶隙的溫漂曲線與本次設(shè)計的帶隙溫漂曲線對比簡圖如圖5所示。

    圖3中帶隙基準(zhǔn)電路在功耗上仍可以繼續(xù)優(yōu)化,，其電路如圖6所示,。將MP5與MP6去掉并做成折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，減小了一個支路的電流,，若MP2與MP6尺寸相等,，MP4與MP8尺寸相等，則此兩路電流均分了流過Q0的電流,。改進后的輸出電壓為：

3 帶隙基準(zhǔn)仿真

    本次帶隙基準(zhǔn)采取標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm工藝,，圖7為輸出參考電壓隨溫度的變化曲線。

    仿真結(jié)果表明,，在溫度達(dá)到9.4 ℃時,，出現(xiàn)第一個極值點，此溫度下的正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)相等表現(xiàn)為零溫度系數(shù),，隨后輸出隨溫度下落,，當(dāng)溫度達(dá)到81.6 ℃時，二極管滿足開啟條件,，使得MN5的柵極電壓逐漸下降,，阻抗上升，導(dǎo)致降落在R₃兩端的壓降隨溫度升高,，使得輸出電壓回升1.3 mV,，并在溫度達(dá)到112 ℃時，R₃與MN5的并聯(lián)阻抗達(dá)到極限,，而V_be的非線性使得輸出隨溫度再次下落,。

    根據(jù)溫漂計算公式(單位ppm/℃)：

    溫漂曲線最大值為1.216 9 V，最小值為1.215 4 V,，溫度范圍為-40 ℃~150 ℃,，通過計算得出溫度系數(shù)為6.49 ppm/℃。

    圖8 Monte Carlo仿真展示了參考電壓隨工藝偏差變化的分布,，在采樣點為200的情況下,，參考電壓均值為1.2170 2 mV，方差為14.109 1 mV,，表明了較好的魯棒性,。

    圖9為帶隙基準(zhǔn)的電源抑制比仿真結(jié)果，其掃描頻率范圍為1 Hz~1 GHz,，在低頻時電源抑制比為38 dB,，最差的情況出現(xiàn)在頻率557 kHz下的36 dB,。

    圖10為帶隙基準(zhǔn)的版圖設(shè)計，圖11為帶隙基準(zhǔn)的后仿真結(jié)果,，對比于前仿真中的結(jié)果,，由于寄生電阻效應(yīng)導(dǎo)致輸出電壓隨溫度曲線整體上移，而輸出隨溫度變化趨勢與前仿真中結(jié)果保持一致,，計算溫度系數(shù)為6.40 ppm/℃,。

    本次設(shè)計以較小的功耗代價實現(xiàn)了較高的精度，其性能指標(biāo)與參考文獻對比見表1,。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計了一款低功耗結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)電路,，采取5 V供電，總功耗為1.2 μW,，溫度系數(shù)為6.40 ppm/℃，低頻電源抑制比為38 dB,，該電路可以廣泛應(yīng)用于便攜式電子領(lǐng)域,。

參考文獻

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作者信息:

潘鴻澤1，王東興1,，宋明歆2

(1.哈爾濱理工大學(xué) 理學(xué)學(xué)院,，黑龍江 哈爾濱150080；2.海南大學(xué),，海南 ?？?70228)