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高精度分段線性補償基準(zhǔn)電壓源

2022年電子技術(shù)應(yīng)用第3期

奚冬杰，徐晴昊

中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫214035

摘要： 介紹了一種新型電壓基準(zhǔn)電路，基于分段線性補償方式設(shè)計了一種高精度基準(zhǔn)電壓源。利用與溫度成正比的電流(IPTAT)和與溫度成反比的電流(ICTAT)做差，從而獲得用于基準(zhǔn)電壓源曲率補償?shù)姆侄尉€性電流。將電路整個工作溫度區(qū)間分為兩段，利用分段線性電流完成補償，且增加三極管基極電流補償技術(shù)，最終得到高精度的基準(zhǔn)輸出電壓。仿真結(jié)果表明，在-55 ℃~125 ℃溫度范圍時，基準(zhǔn)電壓源溫度系數(shù)為1.208×10-6/℃，低頻時電源抑制比低于-88 dB。當(dāng)電源電壓從2.5 V升至5 V時，線性調(diào)整率為0.108 mV/V。

關(guān)鍵詞： 基準(zhǔn)電壓分段線性補償溫度系數(shù) 電源抑制比

中圖分類號： TN433
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212101
中文引用格式： 奚冬杰，徐晴昊. 高精度分段線性補償基準(zhǔn)電壓源[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2022，48(3)：41-44.
英文引用格式： Xi Dongjie，Xu Qinghao. High precision piecewise linear compensated voltage reference[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(3)：41-44.

High precision piecewise linear compensated voltage reference

Xi Dongjie，Xu Qinghao

No.58 Institue，China Electronic Technology Group Corporation，Wuxi 214035，China

Abstract： A innovative and high precision piecewise linear compensated voltage reference was designed in this paper. The current proportional to temperature(IPATA) and the current inversely proportional to temperature(ICTAT) was used to obtain the piecewise linear current for the curvature compensation of the voltage reference source. The whole working temperature range of the circuit was divided into two sections, finally high precision voltage reference was obtain by piecewise linear and bipolar base current compensation method. The simulation results show that in the temperature range of -55 ℃ to 125 ℃, the temperature coefficient of the voltage reference is 1.208 ppm/℃, and the power supply rejection ratio is lower than -88 dB at low frequency. When the supply voltage changes from 2.5 V to 5 V, the line regulation is 0.108 mV/V.

Key words : voltage reference；piecewise linear compensation；temperature coefficient；PSRR

0 引言

帶隙基準(zhǔn)電壓源(Bandgap Voltage Reference，BGR)作為IC設(shè)計中一個重要的基礎(chǔ)單元模塊，被廣泛應(yīng)用于電源管理、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以及數(shù)模混合等集成電路。理想情況下基準(zhǔn)電壓源輸出一個不隨溫度、電源電壓和工藝變化而變化的參考電壓，其精度限制了所有IC系統(tǒng)所能達到的性能上限，因此研究如何設(shè)計一個高精度輸出的基準(zhǔn)電壓源具有重要意義^[1-3]。

隨著片上系統(tǒng)(SoC)和便攜式穿戴設(shè)備的高速發(fā)展，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)的精度已難以滿足現(xiàn)代集成電路的設(shè)計需求。傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)采用一階補償結(jié)構(gòu)，其采用具有固定正溫度系數(shù)的電壓(VPTAT)來補償VBE的負溫度系數(shù)，經(jīng)補償后的電壓仍存在高階非線性溫度系數(shù)分量。因此傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)溫度系數(shù)受補償誤差限制，僅在補償溫度點附近具有最小溫度系數(shù)，隨工作溫度范圍的增加基準(zhǔn)輸出精度急劇惡化^[4-5]。

針對一階補償因固有缺陷所導(dǎo)致輸出電壓精度受限問題，業(yè)內(nèi)提出了指數(shù)型電流補償、亞閾值MOS補償和不同電阻溫度系數(shù)補償?shù)冉鉀Q方案。但上述高階補償方案存在與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高噪聲、功耗大和因模型精度不足導(dǎo)致產(chǎn)品良率下降等問題。為此本文設(shè)計了一種高精度分段線性補償基準(zhǔn)電壓源設(shè)計方案，首先將PTAT電流和CTAT電流做差獲得分段線性補償電流，其次將電路整個工作溫度區(qū)間分為兩段后利用分段線性補償電流完成補償，然后通過增加三極管基極電流補償結(jié)構(gòu)進一步提升基準(zhǔn)輸出精度。最終所設(shè)計BGR在2.5 V~5 V電源電壓下以及-55 ℃~125 ℃溫度范圍內(nèi)溫度系數(shù)為1.208 ppm/℃，具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡單和未使用NPN三極管可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容等優(yōu)勢。

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作者信息：

奚冬杰，徐晴昊

(中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫214035)

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