Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ 电流模式的高阶曲率补偿ＣＭＯＳ带隙基准源 张普杰 ，王卫东 ，李耀臻。 （桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林５４１００４） 摘 要：因为传统的带隙电压基准源只经过了一阶温度补偿，且输出电压只能在１．２ Ｖ左右，所以为了得到一个可调的、更高精 度的电压基准源，提出了电流模式的带隙电压基准源电路。电路采用了高阶曲率补偿方法，且输出的基准电压可根据输出电阻 的大小进行调节。电路采用ｇｐｄｋ０９０ ＣＭＯＳ工艺，通过Ｓｐｅｃｔｒｅ仿真，当电源电压为３．６ Ｖ、在一６Ｏ℃～一１２０ｏＣ温度范围内、温度 系数为１４．４ Ｘ１０ ／℃时电源电压抑制比为７８．３ ｄＢ，输出电压平均为１．１６２ Ｖ。 关键词：带隙电压基准源；高阶曲率补偿；温度系数；电压抑制比 中图分类号：ＴＮ４３２ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—７７２０．２０１７．２４．００５ 引用格式：张普杰，王卫东，李耀臻．电流模式的高阶曲率补偿ＣＭＯＳ带隙基准源［Ｊ］．微型机与应用，２０１７，３６（２４）：１６—１８，２１． Ｈｉｇｈ－－ｏｒｄｅｒ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ－－ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ＣＭＯＳ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ Ｚｈａｎｇ Ｐｕｊｉｅ ，Ｗａｎｇ Ｗｅｉｄｏｎｇ ，Ｌｉ Ｙａｏｚｈｅｎ。 （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ ５４ １ ００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｂａｎｄｇａｐ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｓ ｏｎｌｙ ａｔ ａｂｏｕｔ １．２ Ｖ．ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ａｎ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅ￣ｒｅｎｃｅ，ａ ｃｕｒｒｅｎｔ－ｍｏｄｅ ｂａｎｄｇａｐ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｏｕｒｃｅ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｃｉｒｃｕｉｔ ａｄｏｐｔｅｄ ｈｉｇｈ—ｏｒｄｅｒ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｃａｎ ｂｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ａｃ— ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｔ ｗａｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｇｐｄｋ０９０ ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｓｐｅｃｔｒｅ，ｓｕｐｐｌｙｉｎｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ３．６ Ｖ， ａ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ １４．４ Ｘ １０ ／℃ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ一６Ｏ℃ｔｏ １２Ｏ℃，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ ｉｓ ７８．３ ｄＢ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ １．１６２ Ｖ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂａｎｄｇａｐ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ；ｈｉｇｈ—ｏｒｄｅｒ ｃｕｒｖａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ＰＳＲＲ ０ 引言 基准源是模拟集成电路设计中经常用到的重要电路， （ＡＶ ）分别加以不同的权重然后相加，使两者相抵消，从 而获得与温度无关的电压（理论上在某一确定温度下的 分为电压和电流基准源。因为基准源与电源电压、工艺模 型、环境温度基本无关，并且基准源有高的电源抑制比和 低的温度系数，所以可以为电路提供稳定的电压或电流， 在Ａ／Ｄ或Ｄ／Ａ转换模块、ＬＤＯ（低压差线性稳压器）、ＳＯＣ 温度系数为Ｏ，一般为３００ Ｋ）： Ｖ ＝ 。 ＋卢（ＡＶ ） （１） 这里ＡＶ （也可写为Ｖ Ｉｎｎ）是分别工作在两个电流 密度下的两个晶体管的基级一发射极电压的差值， 为晶 体管的基级－发射极电压，Ｏ／、届为分别对正负温度系数加 的权重。在室温下ａＶ。 ／０ＶＴ 一１．５ ｍＶ／。Ｋ，ａＶＴ／０Ｔ ＋０．０８７ ｍＶ／。Ｋ（Ｖ ＝ｋＴ／ｑ，ｋ为波耳兹曼常数）。把 （系统集成芯片）等系统中扮演着非常重要的角色。 传统的带隙基准源是把具有负温度系数的电压（ ） 与具有正温度系数的电压（△ ）分别加以不同的权重然 后相加，使两者相抵消，从而获得与温度无关的电压。但 式（１）对温度微分，调节 、卢的值可以使Ｉ， 的温度系数 在Ｔ＝３００ Ｋ时为０…。 传统的带隙电压基准源也有一个缺点，当具有不同温度系 数的电压相抵消时，会得到一个１．２ Ｖ左右的电压，这时 图１为传统的带隙电压基准源电路 ，Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、 如果电源提供的电压接近１．２ Ｖ时该带隙基准源就不适 用了。为了能获得输出可控的基准电路，本文基于电流模 式电路提出一种具有高阶温度补偿的、输出电压可调的带 隙基准电压源电路。 Ｍ４构成环路，所以流经Ｑ１、Ｑ２的电流相等。Ｍ１～Ｍ４、 Ｑ１、Ｑ２和 １构成ＰＴＡＴ（与绝对温度成正比）电路，Ｑ２和 Ｑ３与Ｑ１发射结面积之比为Ｊ７、ｒ，假设电路中ＭＯＳ的宽长 比相同。如果流过Ｍ１的电流为，，则Ｍ２、Ｍ５的电流也为 ，，Ｖ ，＝ＶＧ ，从而Ｖｘ＝Ｖ 。所以有： ＶＥＢｌ＝ＶＥＢ２＋ＩＲｌ ＝ １ 传统的带隙电压基准源结构 正如上文提到的，典型的带隙电压基准源电路是把具 有负温度系数的电压（Ｖ ）与具有正温度系数的电压 】６ （２） （３） ｌｎ １ Ｓ１ 《微型机与应用））２０１７年第３６卷第２４期 Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ＶＥＢ２＝ｋＴｌｎ／， 、 ｑ，女 ，ｓ２＝ＮＩｓ Ｌ）） 由式（２）～式（５）可推得： ｋＴ ＩｎＮ ｆ６１ ｑ Ｒ１ 所以 ＝ ＋ 鲁 ｎⅣ （７） 式（７）中 Ｒ２ｌｎⅣ为式（１）中的卢，此时 为１。 当温度 为Ｔ＝３００ Ｋ时电压基准为： Ｖ Ｖ ＋１７．２Ｖ 一１．２５ Ｖ ， 图ｌ 传统的带隙基准源结构 由以上推导可以看出常用的带隙基准有以下缺点：只 是对电路进行了１阶的温度补偿；虽然输出基准电压会随 着温度有小幅度的变化，但基本上在１．２ Ｖ左右，当电源电 压接近１．２ Ｖ时该电压源就不适用了。为了能得到输出可 控、精度更高的带隙基准源，本文基于电流模式电路提出一 种具有高阶曲率补偿的、输出电压可调的电路结构。 ２带隙电压基准源的高阶曲率补偿 相比于典型的电压基准源只进行了一阶的温度补偿， 本文提出的电路还加入了高阶曲率补偿电路。针对本文 采用的电流模式的高阶曲率补偿方法，可用两个ＢＪＴ的电 压差△ 产生的电流来补偿。 ２．１ 三极管的基极－发射极电压的温度系数 从文献［３］中可得到晶体管的基极一发射极电压为： （ ）＝Ｖｇ（ｒ）＋［ （ ）一 （Ｔｏ）］× 一＋（ａ 一 ０ ）ｋＴ１ｎ Ｔ ｏ （９） ｑ １ 上式中， （ ）表示晶体管的基极一发射极电压随 温度改变时的值；Ｖ（Ｔ）表示硅的带隙电压值，该值由材 料本身决定；Ｏ／与具体采用的工艺有关，表示载流子迁移 率与温度的关系；ＪＢ表示集电极电流与温度的相关性，当 ， 与温度相关时卢＝１，与温度无关时卢＝０；式（９）中包括 常数项、一阶项、高阶项，典型的带隙基准源只是对其中的 《微型机与应用＞＞２ｏ１７年第３６卷第２４期 一阶项进行了处理，而高阶项没有得到补偿，为了减小高 阶项对基准源的干扰，提出了一种基于电流模式的高阶曲 率补偿电路。 ２．２ 高阶曲率补偿带隙基准源具体电路 总电路由启动电路、， 电路、电流相加电路和， （与绝对温度成反比）电路、， （两个晶体管的基极一发射 极电压差△ 产生的电流）模块组成 。图１中ＭＯＳ器 件的沟道长度调制会导致显著的电源依赖性。为了避免 这个问题，图ｌ的ＭＯＳ管全用共源共栅电路代替，为了避 免外加偏置的设计，文中采用了自偏置的共源共栅的结 构，图２中Ｒ１、Ｒ２、Ｒ５、Ｒ６提供合适的偏置，使所有的ＭＯＳ 管都工作在饱和区。电路中两个共源共栅电路分别产生 ＩｐＴＡＴ和， ，并且用两个晶体管的基极－发射极电压差 △ 产生的电流，ＮＬ来进行微调，用电流相加模块把三部 分电流进行相加，最后根据Ｖ ＝Ｒ Ｘ ｌｒｅｆ得到一个与Ｒ 成比例的电压。 ＩｐＴＡＴ模块由Ｍ１～Ｍ８、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｑ１、Ｑ２组成（Ｑ１的 发射结面积为Ｑ２的Ⅳ倍），由此可推得， 为： ，一 二 ！ 一 一—ＹＴＩｎＮ ＰＴＡＴ— Ｒ 一 Ｒ 一 Ｒ ｒ １ｎ、 ， 模块由Ｍ９、Ｍ１０、Ｒ４、Ｑ３构成，由图中可得， 为： ｋ＝ 由于ＹＥ 与ＩｐＴＡＴ有关，由式（９）可得： Ｖ （ ）＝ （ ）＋［Ｖ （Ｔｏ）一 （Ｔｏ）］× ＿＋（ 一 １）ｋｒ１ｎ Ｔｏ （１２） 由于 与ＩＣＴＡＴ无关，可得： Ｖ （ ）＝ （ ）＋［Ｖ （Ｔｏ）一 （Ｔｏ）］×寺＋ Ｔ ｏ ｌｎ ｍ （１３）Ｌ Ｊ 把式（１２）、（１３）带人式（１１）可得： ＝鲁・ ＩＣＴＡＴ模块由Ｍ１５～Ｍ２２、Ｒ５、Ｒ６、Ｑ４、Ｒ７组成（Ｑ１的发 射结面积为Ｑ４的Ⅳ倍），由此可推得ＩＣＴＡＴ为： ，ｃ叩 ＶＥＢ４： １｛ （ ）＋［ＶＢＥ（ ）＿一 （ ）］× ＋ ｌ ｏ Ｔ１ｊ （１５） 以上推得的， 、， 、， 电流经过相加模块可得输 出电流， 为： ， ＝， ＋，ｃ ＋，ＮＬ （１６） 把式（１０）、（１４）、（１５）带入式（１６）可得： 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ １７ Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｅｔｕｒｅ ， ＝ ＋｛ 一 （ ＶＴ一 ）・ｎ ）＋ 真温度在一６０℃一１２Ｏ℃范围变化。仿真结果如图３、图４ 所示。 行仿真，采用ｇｐｄｋ０９０ ＣＭＯＳ工艺。电源电压为３．６ Ｖ，仿 由上式可以看出此时推得的， 中包括一阶温度项 （式中大括号）、高阶温度项（式中的对数项）以及硅的带 隙电压（其中包括一阶项和高阶项）。为了得到与温度无 关的电流，首先要对一阶温度项进行补偿，可以调节Ｒ３、 Ｒ７、Ⅳ的值，使式中的一阶项为０。接下来对式中的高阶 项进行补偿，消除式中的对数项。可以发现电阻 ７既与 一阶项有关也与高阶项有关，所以一阶项的消除和高阶项 温度／℃ 图３ 电压随温度变化的曲线 的消除是相互制约的，在调制电路时要多次尝试，以得到 最优化的电路。 根据公式 。，＝， Ｘ Ｒ ，调节尺 的大小就能得到需 要的电压值。 Ｆｒｅｑ／Ｈｚ 图４电源电压抑制比 图３是对输出电压温度特性的仿真，当 温度在一６０℃～１２０￣Ｃ范围时，输出电压基本 在１．１６２ Ｖ，温度系数大约为１．４４ Ｘ １０ ／℃。 图４是对电源抑制比的仿真，电源提供的电 压为３．６ Ｖ，温度为２７℃时，可以得到，该结 构有较高的电源抑制比，频率较低时 为一７８．３ ｄＢ。 表１中列出了本文带隙基准源的部分参 数，并与其他文献中的带隙基准源进行了对 启动电路 ‘ 图２电流相加 整体结构 比，从表中得出，相比于其他文献中的参数，本 文的电路有较好的电源抑制比和温度系数。 ２．３ 启动电路 表１ 与其他文献中的带隙基准源比较 因为电路启动时带隙中电流可能为零，这时带隙会一 直处在关断状态，也就是“简并”点的问题…。为了避免 “简并”点的问题，本文引入启动电路结构，如图２中ｓ１、 ｓ２、ｓ３、Ｒ、Ｑ５所示。当电路上电时ｓ１、ｓ２接通并通过ｓ２ 的漏极给ｓ３的栅极充电，使ｓ３的栅极电位提高，从而使 Ｍ５、Ｍ６、Ｍ１９、Ｍ２０导通，各支路都有电流流过，最终达到 平衡点。这时ｓ３会导通，从而把ｓ２关断，ｓｌ与ｓ３导通， ４ 结论 文中设计了一种电流模式的带隙电压基准源电路结 构，通过把３个温度系数不相同的电流相加得到与温度关 电流流向Ｑ５，后面的电路工作正常后，启动电路就不会再 起作用 。 系很小的电压。为了使电路有更好的性能，电路采用了高 阶曲率补偿方法。从仿真结果可以看出，当电源提供的电 （下转第２１页） ３ 仿真验证 采用Ｃａｄｅｎｃｅ公司的Ｓｐｅｃｔｒｅ软件对整体电路结构进 １ ８ 《微型机与应用＞＞２ｏ１７年第３６卷第２４期 Ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ４ 结论 该待机电路能够智能并低耗地控制家用电器。利用 此待机电路可真正实现待机的电能完全不从工作电源中 获得。利用遥控信号或按键信号，可以快速唤醒单片机。 该待机电路的待机电流和待机功耗极低，比市面上的控制 电路更具有优势。该待机电路可以应用于各种家用电器， 包括没有遥控功能的家用电器。 智能控制家用电器方式有两种：一种方式是将电路安 装到插座中，即与家用电器电源电路相结合，智能控制家 用电器与电源的接通与关断；另一种方式是将单片机作为 核心元件与后续的家用电器控制电路完美地结合，由于整 个电路的体积小，适合装到家用电器中，既降低了待机功 耗，还降低了整个系统的成本，便于推广。 参考文献 ［１］桑坤，金慧敏，朱向冰．一种自整角机信号发生器设计［Ｊ］． 微型机与应用，２０１６，３５（９）：３４—３６． ［２］崔晶晶，曾以成，夏俊雅．一款应用于ＬＥＤ驱动的过温保护 电路［Ｊ］．电子技术应用，２０１７，４３（６）：４１－４４． ［３］沈毅斌，田巧玉．基于涓电流检测的节能插座设计［Ｊ］．电 子测试，２０１６（２１）：４０４１． ［４］徐晓磊，姜波，薛锦诚，等．单片机系统的低功耗设计与应 用［Ｊ］．电测与仪表，２０００，３７（１０）：２８—３１． ［５］赵贺．单片机系统设计中低功耗的探讨［Ｊ］．自动化与仪器 仪表，２００９（６）：６６．６８． ［６］杨素行．模拟电子技术基础简明教程（第３版）［Ｍ］．北京： 高等教育出版社，２００６． 图５程序流程图 （收稿日期：２０１７—０６－２１） 作者简介： 得出此时电路平均电流约２５ Ａ，待机电路功耗约０．１ ｍｗ。 市面上的控制电路待机电流约３０ Ａ，待机电路功耗 约０．０ｌ１ Ｗ。应用以上待机电路后，电路平均电流可降至 ２５ Ａ，待机电路功耗约０．１ ｍｗ，且一切开关机正常。该 付贝贝（１９９４一），女，硕士，主要研究方向：硬件电路设计。 朱向冰（１９７３一），通信作者，男，博士，教授，主要研究方向： 光电技术。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｋ７３１０＠１６３．ｔｏｍ。 金慧敏（１９９１一），女，硕士，主要研究方向：软件设计。 计［Ｊ］．华侨大学学报（自然科学版），２０１０，３１（３）：２６７—２７１． 待机电路使待机电流和待机功耗达到了较高的技术指标， 大大降低了待机功耗，节约能源。 （上接第１８页） 压为３．６ Ｖ，温度在一６０～１２０℃范围时，温度系数为 １．４４ ｘ１０。／℃，电源抑制比为一７８．３ ｄＢ。相比于其他文 献中的带隙电压基准源有更好的性能。 参考文献 ［１］ＲＡＺＡＶＩ Ｂ．模拟ＣＭＯＳ集成电路设计［Ｍ］．陈贵灿，译．西 安：西安交通大学出版社，２００３． ［６］Ｚｈａｏ Ｃｈｅｎｙｕａｎ，Ｈｕａｎｇ Ｊｕｎｋａｉ．Ａ ｎｅｗ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂａｎｄｇａｐ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．２０１ １ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃ— ｔｒｏｎｉｃｓ，Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＩＣＥＣＣ），２０１ １：６４—６６． ［７］陈友福，李平，刘银，等．一种新型的ＢｉＣＭＯＳ带隙基准电压 源［Ｊ］．微电子学，２００６，３６（３）：３８１－３８４． （收稿日期：２０１７－０６—２４） ［２］周永峰，戴庆元，林刚磊，等．一种用于ＣＭＯＳ Ａ／Ｄ转换器 的带隙基准电压源［Ｊ］．微电子学，２００９，３９（１）：２５—２８，３３． ［３］李斌桥，许延华，徐江涛，等．高阶曲率补偿电流模式的 ＣＭＯＳ带隙基准源［Ｊ］．天津大学学报（自然科学与工程技 术版），２００８，４１（１２）：１４５９—１４６４． 作者简介： 张普杰（１９９１一）男，硕士研究生，主要研究方向：模拟集成 电路设计。 王卫东（１９５６一）男，教授，硕士生导师，主要研究方向：模拟 集成电路与电流模式电路。 李耀臻（１９８９一），男，硕士研究生，主要研究方向：模拟集成 电路设计。 ［４］胡勇，彭晓宏，刘云康，等．一种新型电流模式带隙基准源 的设计［Ｊ］．微电子学，２０１３，４３（４）：４５７－４５９，４６３． ［５］梁爱梅，凌朝东．电流镜型二次曲率补偿的带隙基准源设 《微型机与应用））２０１７年第３６卷第２４期 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｒｎ ２１
