带曲率补偿的带隙基准电流源的设计

引言

当今被普遍采用的数模混合电路芯片中,偏置电路起到了非常重要的作用。随着芯片的工作,功耗产生的热量所导致芯片温度的变化是难以避免的工。所以，为芯片提供偏置的基准电路应具有良好的输出电压电流精度和稳定的温度特性。而在芯片的内部模块比如振荡器、延迟产生电路、运算放大器等电路中，往往需要一个几乎与温度无关的电流源来进行偏置,随之便产生了利用带隙基准电压来产生零温电流的电路结构。本文提出了一种利用带隙基准电压产生的与温度无关的基准电流源电路，带隙基准电压产生电路没有运算放大器，结构简单，且能对基准电流实现曲率补偿，使基准电流具有低的温度系数。

1  带隙基准电压源的原理

一个与温度无关的基准电压信号往往可以由一个具有负温度系数的电压信号和一个具有正温度系数的电压信号以适当的权重相加得到。对于温度系数相反的两个电压V₁和V₂,有：

V_ref=α₁V₁+a₂V₂                                                                   (1)

将式(1)对温度T求导并选取合适的α₁和α₂,可得到：

那么就可以得到一个具有零温度系数的电压基准V_REF。我们知道,一个二极管连接的双极晶体管的基极-发射极电压V_be具有负的温度系数。对于一个双极器件，将V_BE对T求导得：

而两个工作在不同电流密度下的双极晶体管的基极-发射极电压之差具有正的温度系数。将它们的

基极-发射极电压相减可得:

△V_be=V_be1—V_be2=V_Tlnn                                    (4)

将式(4)对温度T求导：

通过上面的讨论，我们得到了两个温度系数相反的电压V_be和△V_be,将其代入式(2)并对T求导可以得到：

通过设置系数α₁和α₂，即可得到一个零温度系数的电压V_ref。

2  带隙基准电压电流源电路的设计与实现

图1所示为本文提出的基于widlar结构的带隙基准电压电流源的电路图。左边部分为启动电路，中间为带隙基准电压产生电路，右边为曲率补偿和电流基准产生电路。 

启动电路的作用在于使带隙基准电路脱离简并点,让基准电路正常上电工作。如图1所示，M】、M,为二极管连接，随着V«：的逐渐上升，由于R的存在,M?的逐渐变负，使得逐渐开启，R上的电流逐渐增大，此时,M,开启，有电流流过对G充电，为Q，的基极提供一个大于2倍Vm的电压。随着Voc的进一步升高,被关断，之后启动电路将不会影响基准电路，完成启动过程。

图1中间部分为带隙基准电压产生电路，R=R,且Q并联N个。Q,与Q₁₂组成电流镜结构，且它们的发射极面积相等，即I_sl=Ism,因此有la=1皿。又Q并联两个，即I_S2=2I_ai,所以我们可以得到【C2=2la,1(3=leto

Q.的作用在于为带隙基准产生电路提供负反馈稳定回路贰。如图所示,Qi将Q的集电极电压箝位至一个Vbe电压,负反馈回路使Q₃的集电极电流与Q₄的集电极电流相等山。

我们知道,BJT的V既为：

已知l_c3=l_c4,即R与R_t上面的压降相等，本设计中Q₃并联了8个，即I_S]=8细，所以可以得到R上的电流为：

前面已经提到，Vbe为一个负温度系数的电压,Vt为一个正温度系数的电压，所以，通过设置R₅与R的比例就可以得到一个零温度系数的带隙基准电压Vref。本设计取R=R=11R-,得到的基准电压为1.25V。

3  带曲率补偿的电流源的原理与分析

图1的右半部分所示为曲率补偿电路及电流基准电路，R为一正温系数的P注入电阻,R为一负温度系数很大的高阻多晶电阻。Q,的发射极电压近似与Vkef相等，为一零温电压。因R的温度系数为正，故M?与M,支路上的电流都为负温度系数。Ms与Mm镜像M₆支路的PTAT电流，表示为Iptats^IpTAT12。BIAS为输出的零温电流,Velas为零温电流的偏置电压。假设Ms与和M₆的宽长比的比值分别为m与n,那么I_P-1AT8与IpTAT12分别可以表示为：

忽略流过Q的电流辰，可以得到