摘要：为提高带隙基准电压源的温度特性，采用Buck电压转移单元产生的正温度系数对VBE的负温度系数进行高阶曲率补偿.同时使用共源共栅结构（Cascode）提高电源抑制比（PSRR）.电路采用0.5 μm CMOS工艺实现，在5 V电源电压下，基准输出电压为996.72 mV，温度范围在-25～125 ℃时电路的温漂系数为1.514 ppm/℃；当电源电压在2.5～5.5 V变化时，电压调整率为0.4 mV/V，PSRR达到59.35 dB.
关键词：带隙基准电压源；低温度系数；高阶补偿；集成电路
中图分类号：TN432 文献标识码：A
An Ultra-low Temperature Coefficient
Bandgap Voltage Reference
QIU Yu-song， ZENG Yun， PU Ya-nan
（College of Physics and Microelectronics Science，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082， China）
Abstract： In order to improve the temperature characteristics of bandgap voltage reference， this paper took advantage of Buck's voltage transfer cell generating a positive temperature coefficient to provide a high-order curvature compensation of VBE. And Cascode structure was used to improve the power supply rejection ratio （PSRR）. The circuit was simulated in 0.5 μm CMOS process. The output voltage of bandgap reference is 996.72 mV under 5 V supply available， and a temperature coefficient of 1.514 ppm/℃ can be achieved over the temperature varying from -25 to 125 ℃. The PSRR reaches 59.35 dB and an average line regulation reaches 0.4 mV/V when power supply changes from 2.5 to 5.5 V.
Key words： bandgap voltage reference；low temperature coefficient；high-order compensation；integrated circuit
基准源在集成电路中的作用是提供准确的电压或电流，它是模拟集成电路的核心组成部分，而其中带隙基准电压源由于具有高电源抑制比及长期稳定等优点，而被广泛地应用在A/D和D/A转换器、低压差线性稳压器（LDO）、高精度比较器、存储器等集成电路中.传统的带隙基准电路仅仅补偿了一阶温度项，而VBE的高阶项才是限制温度特性的关键因素[1].因此，设计低温漂系数带隙基准源是十分必要的.
近年来，国内外提出了多种不同的高阶补偿技术来改善基准电路的温度特性.Cao等提出了利用动态基础泄漏补偿技术来进行高阶补偿，使基准电压在-40～125 ℃范围内温漂系数达到15 ppm/℃[2]；Malcovati等利用双极晶体管电压差进行温度补偿，温漂系数在0～80 ℃内降至7.5[3]，但该电路存在电阻回路，精度不高；Gong等利用不同的电阻材料进行温度补偿，电路的温度变化范围大[4]，但产生的温漂系数高；而Leila Koushaeian等使用电流镜和运算放大器来减小温漂，其温漂系数为4.7 ppm/℃[5].
本文对传统的电流型求和基准源的原理和结构进行分析总结，通过采用Buck式电压转移单元[6]和与温度无关的电流对VBE进行高价补偿的方法，设计了一种具有超低温漂系数的带隙基准源电路.同时使用一种有效的启动电路保证电路能正常启动，并且在输出端采用共源共栅结构，提高了电路的电源抑制比.该电路结构对负温度系数项的非线性部分进行了高阶补偿，达到了更低的温漂系数.仿真测试结果表明，输出基准电压为996.72 mV，当温度在-25～125 ℃时，温漂系数为1.514 ppm/℃；电源电压在2.5～5.5 V变化时，电压调整率为0.4 mV/V，适合于高精度电路中的参考电压源.
1 一种超低温漂带隙基准源的设计
带隙基准源是将分别拥有负温度系数VBE和正温度系数ΔVBE的电压按适当的权重相加，获得零温度系数的基准电压[7].为了最大程度地降低带隙基准电路的温漂系数，同时保证足够大的电源抑制比，本文设计了一种新型超低温漂的带隙基准源电路.
1.1 整体电路的设计
本设计基于传统带隙基准源工作原理，采用Buck电压转移单元产生的正温度系数对VBE的负温度系数进行高阶曲率补偿，整个带隙基准电路如图1所示.
图1中Part 1部分是电流求和型基准源，其将正温度系数和负温度系数两电流之和通过电流镜镜像到输出端，通过电阻分压得到基本与温度无关的基准电压[8].运算放大器使电路处于深度负反馈状态，调整R0的阻值使Va和Vb分别大于0.6 V，利用R1B1，R1B2及 R1A1，R1A2进行分压，得出较小的电压Vc和Vd作为运放的输入电平.其中R1B1= R1A1， R1B2= R1A2，故Va=Vb，Vc=Vd. M1和M2管的宽长比一致，使得两支路流过的电流也相同，Part 1中产生的带隙基准参考电压为：
