李惊东
（中国船舶重工集团公司第七0三研究所，黑龙江哈尔滨150078）
摘要：在此基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺，设计一种高精度低温漂的低压基准电压源。该基准源的供电电源电压为1.8 V，输出电压为1.0 V，电路的总电流小于5 μA。在-40～80 ℃范围内的温度系数为5.7 ppm/℃。当频率在100 kHz以内时，电源抑制比始终保持在-75 dB以下。该基准电压源具有低功耗、低温度系数、高电源抑制的特性，能够很好地应用于低压供电的集成电路设计中。
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关键词 ：电压基准源；带隙基准源；温度系数；电源抑制比
中图分类号：TN710-34；O47 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0123-03
收稿日期：2014-12-19
基准电压源在电路系统中提供电压基准，大多数模拟/混合集成电路系统中都需要基准电压源去确定其子系统的工作条件。基准电压源要求电压保持稳定，理想的基准源不随工艺、供电电压以及温度的变化而变化。另一方面，为了提升集成电路系统芯片的良率及稳定性，要求基准源具有很宽的工艺及温度变化冗余度甚至能够补偿工艺与温度的变化所带来的影响。对于降低温度变化对基准源的影响已经有大量的研究[1-5]，补偿温度变化对基准源的影响可以采用片上电阻方法[1]，使晶体管工作在零温度系数（Zero Temperature Coefficient，ZTC）偏置点[2-3]，或者在负温度系数的电源上叠加一个正温度系数的电源[4-6]。CMOS 带隙基准源是能够实现上述要求的最常见解决方案之一[7-10]，但这样的带隙基准源仅能够提供一个固定的1.25 V电压，这极大的限制了随着CMOS 工艺尺寸的减小所带来的低压供电需求与应用。本文采用温度补偿方法，基于SMIC 0.18 μmCMOS 工艺设计了一款低压低功耗的高精度带隙电压基准源。
1 电路分析与设计
电压基准源的基本原理是将两个具有温度系数相反的量以适当的方式叠加，使其产生零温度系数，则该电压基准源与温度变化无关。假设有两个随温度变化向相反方向变化的电压V1和V2，如选取恰当的α1 和α2 使得：
这样就得到了具有零温度系数的电压基准Vref ，Vref = α1V1 + α2V2 。
1.1 具有负温度系数的电压
对于一个双极型晶体管，其集电极电流为：
Ic = Is exp(VBE VT ) （2）
式中：VT = kT q 为绝对温度为T 时的热电压；Is 为饱和电流，Is 可以表为：
Is = bT 4 + m exp(-Eg kT ) （3）
式中：b 为比例系数；Eg 为硅的带隙能量，约为1.12 eV；k 为波尔兹曼常数；m 约为-3/2 。
在VBE 对T 取导数时Ic 也是温度的函数，为了简化分析，假设Ic 保持恒定不变。由式（2）可得：
式（5）给出了在给定温度T 下基极-发射极电压的温度系数，从中可以看出，它与VBE 本身大小有关。当VBE≈ 750 mV ，T=300 K 时，VBE 的温度系数约为-1.5 mV/K。这样由双极晶体管的BE 结电压降就可以获得具有负温度系数的电压。
由上面的分析可以看出，双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数，另一方面，热电压VT = kT q ，其对温度的变化为：
由式（6）得知热电压具有正温度系数。因此理论上，双极晶体管的基极-发射极电压与热电压以一定的方式叠加即可得到零温度系数的电压，如采用如图1所示电路结构从而可得到与温度无关的电压基准源。
1.2 正温度系数电压
如图2所示，当两个晶体管（ IS1 = IS2 ）偏置的集电极电流分别为nI0 和I0 并忽略它们的基极电流，则有：
由此可以看出VBE 的差值具有正温度系数特性，并且这个温度系数与温度或集电极电流的特性无关。
1.3 另温度系数电压根据上面得到的具有正负温度系数的电压，将它们进行适当的叠加即可以得到零温度系数的基准电源压源。即Vref = α1VBE + α2(VT ) ln n ，通过选择合适的α1 ，α2和n 值，就可以使得Vref 的温度系数变为零。因此需要一种能将两种电压相加的电路结构，这个相加结构可由图3所示的电路实现。
其中运算放大器电路如图4所示。
该基准源电压由下式给出：
Vref = VBE1 + (1 + R2/R1)·VT ln n （9）
因此输出电压的温度系数如式（9）所示，通过选择合适的电阻值和n 值的大小就可以将Vref 的温度系数变为零：
增加电阻R2是为了减小零温度系数时对应的n 值，而且增加电阻R2还可以消除电阻的温度系数，因为基准电压中存在的是电阻的比值而不是一个电阻的绝对值。
2 仿真分析
图5~图7分别供给出了该基准电压源随供电电压变化的曲线、温度漂移曲线以及共模抑制比特性。
由图可以看出，当供电电压在1.8 V左右时，输出电压已经稳定在1.0 V左右，而温度系数的为5.7 ppm/ oC ，同时，当频率在100 kHz以内时，电源抑制比始终保持在-75 dB以下。该基准源的版图如图8所示。
3 结语
本文基于SMIC 0.18 μm 工艺设计了一种高精度、低压低功耗、低温度系数的电压基准源。由仿真结果可以看出本文设计的带隙基准源的电源抑制比（PSRR）、温度系数、总电流和输出电压和电源电压等各项指标均能满足设计要求。
作者简介：李惊东（1972—），男，浙江人，硕士，高级工程师。研究方向为传动装置测控技术、电子科学与技术。
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