２０１２年第２期 （总第１ｌ８期） 信息通信 ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ２０ｌ２ （Ｓｕｍ．Ｎｏ １１８） 一种带曲率补偿的低温度系数带隙电压基准源 周－－１１ Ｊ，杨维明，蒋师，刘雪 （湖北大学物理学与电子技术学院，湖北武汉４３００６２） 摘要：设计了一种输出电压可调、带二阶曲率补偿的低温度系数带隙基准电路，并基于ＢＣＤ０．３５ｕｍ ＴＴ模型工艺、采用 ＣＡＤＥＮＣＥ软件进行了仿真验证。仿真结果表明，带隙基准电压源在．４０℃，１３５￣Ｃ￣度范围内，电源抑制比（ＰＲＳＳ）在低 频下为８８．３ｄＢ，温度系数仅为２．８ｘ１０—６／。Ｃ。在３Ｖ－６Ｖ的电源电压工作范围内，输出电压为０．８２ｖ．输出电压摆幅为 ０．１７５ｍＶ，线性调整率为０．０００６４６％．可用于便携通信设备。 关键词：带隙基准；温度系数；电源抑制比；曲率补偿 中图分类号：ＴＮ４３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３．１１３１（２０１２）０２．００３３．０３ Ａ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ Ｂａｎｄ－ｇａｐ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｗｉｔｈ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｚｈｏｕ Ｙｉ—ｃｈｕａｎ，Ｙａｎｇ Ｗｅｉ－ｍｉｎｇ，Ｊｉａｎｇ Ｓｈｉ，Ｌｉｕ Ｘｕｅ （Ｔｈｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，４３００６２，Ｗｕｈａｎ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｂａｎｄ．ｇａｐ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ａｎ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ２ｎｄ ｏｒｄｅｒ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉＳ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｖｅｒｉｉｅｄ ｆｗｉｔｈ ｔｈｅ ０．３５ｕｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＴＴ ｄｅｖｉｃｅ ｍｏｄｅｌｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｃａｄｅｎｃｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ ｉＳ ２．８ｘ １０．６／。Ｃ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ一４０￣Ｃ一１３５￣Ｃａｎｄ ｈｅ ＰＳＳＲ ｉｔｓ ｔｈｅ ８８．３ｄＢ．Ｔｈｅ ｂａｎｄ—ｇａｐ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｗｉｎｇ ｉｓ ０．１７５ｍＶ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｕｐｐｌｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ３Ｖ－６Ｖ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ０．８２ Ｖ ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂａｎｄ－ｇａｐ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ；Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ；Ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ；Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ０引言 随着电子技术的不断发展，便携式电子产品，如笔记本电 脑、手机等，由于其体积小、使用方便的特点，越来越受到人们 的青睐。并且在电路集成水平不断提高以及计算机、通信和 多媒体技术不断融合的情况下，越来越多的功能集成到这些 产品的芯片中。而便携式电子产品对集成电路芯片性能如精 度、功耗、稳定性及抗噪能力等提出了更高的要求，而其中带 隙基准源的输出电压精度对这些参数有着重要的影响，普通 的带隙基准电压源采用一阶曲率补偿，在特定的温度环境下 其温度特性容易受到影响，本文设计的带二阶曲率补偿的带 隙基准电压源，有着更好的温度特性，输出电压精度更高，可 以让整个电路系统工作更加稳定。 一时，温度Ｔ＝３００。Ｋ时带入公式（１），可得出温度特性大小约 为．１．５ｍ、，／。Ｋ。 ｙＢＥ—ｙＢＥ一（４＋ｍ）Ｖｒ—Ｅｇ／ｑ 一———■ —一＝ （２） ｋＴ／ｑ 而当两个双极性晶体管工作在不同的电流密度下时，基极 发射极电压的差值表现出正温度系数即与绝对温度成正比。 ：生ｌｎ，ｌ ｑ ａＴ 则此时可利用上面得到的正、负温度系数电压设计出一 个零温度系数的基准： ｌ ＋ ２（ ｌｎ Ｊ （４） ｌ带隙基准源组成原理 理想的基准电压是建立一个与电源、工艺无关的且有确 由文献４内容可得，若令ａｌ＝ｌ，选取ａ２１ｎｎ １７．２，即可得零 温度的基准电压为： 口 ＋１７．２Ｉｎｎ １．２５Ｖ （５） 定温度特性的电压。带隙基准来源于硅的能带隙可提供大小 约为１．２Ｖ的实际可用基准电压。由于大多数的工艺参数是与 温度变化相关联的，那么建立与温度无关的基准与工艺也是 无关的。为设计出该基准，我们可以假设出两个有相反温度 系数（ＴＣｓ）的量，使它们之间权重相加后能显示零温度系数。 ＰＮ节二极管正向电压呈现出负温度系数。如基极一发 射极电压Ｖ 的温度系数公式（１），当Ｖ 给出定值如７５０ｍＶ ・——如图１，一个基本的带隙基准电路，假设忽略了基极电流， Ｑ 由ｎ个晶体管并列、Ｑ 由一个晶体管组成。由于运算放大 器Ａ。的存在，放大器Ａ。以ｖ 和 为输入驱动，由于运算放 大器的理想特性，ｘ、Ｙ点的电压相等即Ｖ ＝、，ｖ。基准电压可以 在Ａ．的Ｖｏｕｔ端得到。对图进行分析可得公式（６）、公式（７）， 如若取得合理的Ｒ及ｎ的值可得零温度系数。 １一 ２： Ｉｎｎ 一＋“—－・卜一—－＋一“—・●一”— 一一十一＋一＋一—●一”十一—－＋一“—－＋一”＋（６） ”—●一“—－＋一”—＋一“— 一”—－●一 ●一”—・＋一一＋”＋”—’一”＋一＋一十一＋一＋”＋”－４－・・＋・・＋一＋一＋ ＋”—－●一ｎ＋一＋一—・＋一”＋４结语 本文论述了一种基于先验知识的车标定位算法。利用了 成熟的车牌定位技术，对粗定位的车标矩形图像进行灰度化、 平滑去噪等预处理；通过Ｓｏｂｅｌ的垂直、水平两个方向的边缘 检测算子对粗定位的矩形图像加以边缘检测以得到车标的边 缘轮廓图；最后结合矩形结构元素，利用形态学闭运算对车辆 标志进行精确定位，最终准确提取车标。大量实验结果表明， 该算法实际运用时，能有效、准确、快速地定位车辆标志，平均 完成一次准确定位需时约为０．６ｓ，实时性强。该算法的实现也 为车辆标志自动识别系统奠定了坚实基础。 作者简介：孙翼（１９８６．），男，江苏无锡人，硕士研究生，研究方 向为控制工程；胡立生，男，教授，研究方向为计算机过程控制 与评估。 ‘ ３３ 信息通信 ＝ ：＋ＴＹｒｌｎｎ ．＋ ：） （７） 图１中的传统带隙电压电路图，由于其结构原因，当系统 需求的电压产生变化时，不能调整输出电压大小；当工作特定 温度环境下，由于图１中的温度特性曲线的曲率变化有限，无 法对高阶次的曲率进行补偿，输出精度会受到影响。针对这 些问题，本文提出了一种新型的带隙基准电压电路结构。 图１带隙基准电压源原理图 ２带隙基准电路设计及分析 本文所设计的带隙基准电路如图２所示，其主要由启动 电路、运算放大器和核心电路部分组成。 ＶＤＤ 图２带隙基准电压源电路原理图 ２．１启动电路 由于带隙基准电路与电源无关的特性，在其启动过程中 会存在“兼并”偏置点 的问题，而加入启动电路会有效地解决 这个问题。启动电路具备快速启动及自动关断功能，从而电 源上电时能使电路快速摆脱“兼并”偏置点嘲。启动电路由图２ 中的Ｍ。、Ｍ，、Ｍ．。构成。其中Ｍ。与Ｍ 组成反相器，当信号不 足驱动反相器的工作时，Ｍ。。会启动产生电流，电路导通；当整 个电路启动后，Ｍ 。则会停止工作，整个启动过程结束。 ２．２运算放大器 由于一个带隙基准源对运算放大器的要求较高，本文设 计的运算放大器如图３所示，采用的是折叠式共源共栅自偏 置二级运放。折叠式共源共栅电路有着较好的增益及ＰＳＲＲ 电源抑制比，其中由Ｍｏ、Ｍｔ和Ｍ 三个ＰＭＯＳ管作为电路输 入端，差分方式接入能有效地抑制温度漂移，电压失调及噪声。 电流流经自偏置电阻 、Ｒ。后，可为运放的中间级的共源共栅 管提供偏置电压。运放第二级中的Ｍ 和Ｍ 组成运放的输出 级，可以增大运放的输出电压摆幅。图中较多地采用了ＰＭＯＳ 管作为输入管，因为ＰＭＯＳ管有比ＮＭＯＳ管更大的工作电压 摆幅且ＰＭＯＳ管的跨导仅相当于ＮＭＯＳ管的１／３，这样的特 性更能电路的次极点频率，获得更好的带宽，使运放更加 ３４ 周一川Ｉ等：一种带曲率补偿的低温度系数带隙电压基准源 稳定。在一级电路和二级电路之间串联了电容和电阻，电容 能起到密勒补偿作用，主极点和次极点获得更大的带宽， 使系统更加稳定；电阻能起到零点补偿的作用，抑制零点漂移。 该运算放大器的环路增益为９８．８ｄＢ，ＰＳＲＲ电源抑制比为 ９６．３ｄＢ，ＰＭ相位裕度为５９。。 图３运算放大器内部电路原理图 ２．３带隙基准电压源核心电路 传统的带隙基准对正负温度系数电压进行了一阶补偿， 但是如果要更好地处理带隙基准的温度系数，比如在特定的 温度环境下还需要考虑重要的二阶效应，本文设计的带隙基 准具备二阶曲率补偿，能一定程度提高带隙基准温度特性。结 合双极性晶体管的温度特性，得到与温度系数相关的双极性 晶体管的基极．发射极结电压ＶＢＥ可表示成： （ｒ）＝ 一【 一 。（ ）】 一（ 一叻 ｌｎ （８） 其中，当Ｔ＝０。Ｋ ，Ｖ 。为硅的带隙电压，Ｖ 是温度为基 准温度Ｔ０时的基极－发射极电压，ｎ是与双极性晶体管结构有 关与温度无关的参数。由． ．式得出，Ｖ （Ｔ）式子中的与温度相 关，非线性部分为Ｔｌｎ（Ｔ）。将式子泰勒展开后得： ｃｒ）＝ａｑ＋ ｒ＋…＋ｃｔ．Ｔ （９） 公式（９）中Ｃｉ．ｒ为常数。当双极性晶体管中的电流为ＰＴＡＴ 电流，ｃｔ＝ｌ或ａ＝０时，晶体管电流与绝对温度成正比或与绝对 温度不相关 。图２中的Ｉ己ｏ、Ｒ 和 、 采用了分压结构，其 中可设 ＋Ｒ．＝ＩＬ，Ｒ ＋Ｒ：＝Ｒ ，利用＆、 进行计算。基准电压 写为 ＝ ＋等等 ｃ 。 式（１０）只能起到一阶补偿作用，补偿式子（１１） （ ）＝ 。一［ ・ 。。（ ）］ （１１） 』０ 不能对公式（１２）进行补偿 一 Ｉｎ÷ （１２） 从结构上面考虑，本设计的图中加入了两个电阻Ｒ］、 及二极管Ｑ：，它们产生了一个值，该值等于用恒电流产生的 结电压Ｖ 减去ＰＴＡＴ电流产生的结电压ｖ 如公式（９）所 示，当Ｑ。、Ｑ一的ＶＩｎｅ（Ｔ）式子中的ｃｔ＝ｌ，Ｑ 的ＶｓＥ（Ｔ）中的ａ－０时 可得： ２一 ０＇１＝ Ｉｎ （１３） 』０ 该过程为曲率校正值，它的值是通过两个电阻Ｒ３、 来设 信息通信 周－）ｌｌ等：一种带曲率补偿的低温度系数带隙电压基准源 置的。通过设置电阻的大小可以减小曲率误差“ 。 带隙基准电压源的线性调整率如图７所示，输入电源电 曲率校正后可得Ｖ 新方程 压为３Ｖ－６Ｖ。 Ｒ５ Ｖ ＝ ＋砉等ｌｎ ＋鲁 （１４） 电路工作时，运放通过反馈使它的输入电压相等，这个电 压为Ｖ 所有ＰＭＯＳ流过的电流都相同，图２中的 、Ｑ．和 产生了ＰＴＡＴ电流，流过 的电流即为ＰＴＡＴ电流，该电流 加上电流Ｖ Ｆ／（Ｒ】＋ ）后两电流之和也流过了输出晶体管，通过 调整电阻Ｒ 设定输出基准电压，即可以通过调节Ｒ 的大小来 调节输入基准电压Ｖ 的大小。 ３仿真结果及分析 本电路基于ＢＣＤＯ．３５ｕｍ工艺设计而成，在ＣＡＤＥＮＣＥ环 境下完成设计及相关图形仿真，仿真条件为２７￣Ｃ下的典型ＴＴ 模型。在该模型下，设定温度变化范围．４０￣－１３５。。未加入二阶 图７ Ｘ电压（Ｖ）Ｙ：电压（ｍＶ） 曲率补偿前的电路温度特性曲线如图４，变化范围为 ４结语 ８２３．１ｍＶ．８２３．８ｍＶ。 本文给出了一种带二阶曲率补偿低温度系数的基准带隙 电压源，结构简单、占用芯片面积较小，补偿电路对温度特性 有一定改善，提高了环路的稳定性和基准电压的输出精度，而 输出电压可调。在一４０Ｏ １３５。的温度内，基准源的温度系数为 ２．８×１０．６／。Ｃ，低频时的ＰＳＲＲ为８８．３ｄＢ，在３Ｖ－６Ｖ的输入电源 电压下，输出电压摆幅为０．１７５ｍＶ，线性调整率为０．０００６４６％， 满足低温度系数和高精度的要求，适合于对精度要求较高的 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换器等电路单元。 参考文献： …１ Ｗｉｌｌｙ Ｍ．Ｃ．Ｓａｎｓｅｎ Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｓｓｅｎｔｉａｌｓ．模拟集成电路 图４ Ｘ温度（℃）Ｙ：电压（ｍＶ） 设计精粹（１版）［Ｍ】．清华大学出版社，２００８ 加入二阶曲率补偿结构后的电路温度特性曲线如图５所 ［２】王辉，王松林，来新泉等．宽输入快速启动的高精度电压基 示，变化范围为８１８．４２ｍＶ－８１８．８ｍＶ，从图中看到二阶补偿改 准电路设计［Ｊ］．西安电子科技大学学报，２００８，３５（２）： 善了曲线的曲率，其温度系数为２．８×１０ ／。Ｃ。 ２７３－２７６． ［３］Ｂｅｈｚａｄ Ｒａｚａｖｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆＡｎａｌｏｇ ＣＭＯＳ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕ－ ｉｔｓ［Ｍ】，西安：西安交通大学出版社，２００３ ［４】Ｍａｌｃｏｖａｔｉ Ｍａｌｏｂｅｒｔｉ Ｆｉｏｃｃｈｉ Ｃ，ｅｔａ１．Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ—Ｃｏｍ． ｐｅｎｓａｔｅｄ ＢｉＣＭＯＳ Ｂａｎｄｇａｐ ｗｉｔｈ １Ｖ Ｓｕｐｐｌｙ Ｖｏｌｔａｇｅ［Ｊ】． ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒ ｃｕｉｔｓ，２００１，３６（７）： １０７６－１０８１． ［５ ５］Ｌａｉ Ｘｉｎｑｕａｎ，Ｘｕ Ｚｉｙｏｕ，Ｌｉ Ｙａｎｍｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ａ ＣＭＯＳ Ｐｉｅｃｅ— Ｗ ｉｓｅ Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｖｏ ｌｔａｇｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ［Ｊ Ｊ． Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔ ｒｏｎｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００９，４０（１）：３９－４５ 图５Ｘ温度（℃）Ｙ：电压（ｍＶ） 【６］Ｂｅｈｚａｄ Ｒａｚａｖｉ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆＡｎａｌｏｇ ＣＭＯＳ Ｉｎｔｅｒｇａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ． 带隙基准电压源电源抑制比如图６所示，低频可达 ［Ｍ】．Ｔｈｅ ＭｃＧｒａｗ．Ｈｉｌｌ Ｃｏｍｐａｎｉｅｓ，Ｉｎｃ．，２００１：３８４～３９０ ８８＿３ｄＢ。 ［７］Ｓｏｎｇ Ｂ Ｓ，Ｇｒａｙ Ｐ Ｒ，”ｅｃｉｓｉｏｎ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ＣＭＯＳ ｂａｎｄｇａｐ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，＂［Ｊ】＿ＩＥＥＥ Ｊ Ｓｏｌｉｄ・ＳｔａｔｅＣｉｒｃｕｉｔｓ， １ ９９９：６３４－６３６ 作者简介：周－－）ｌＩ（１９８５一），男，现为湖北大学物理学与电子 技术学院微电子学与固体电子学专业硕士研究生，主要研究 方向为模拟ＣＭＯＳ集成电路设计。 图６ ＰＳＲＲ曲线Ｘ：频率（ＨＺ）Ｙ：分贝（ｄＢ） ３５
