劉曉軒，張玉明，季輕舟，曹天驕

(1. 西安電子科技大學(xué) 寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710071；2. 西安微電子技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

帶隙基準(zhǔn)因高電源抑制、低溫漂等良好的性能而廣泛應(yīng)用于模擬集成電路之中。文中設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)在電路結(jié)構(gòu)上采用一階溫度補(bǔ)償模型，在此基礎(chǔ)上添加了分溫度段開(kāi)啟工作的補(bǔ)償電路[1]，利用比例電阻的形式減少電阻漂移導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓失準(zhǔn)。整體電路采用負(fù)反饋穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓，避免采用運(yùn)放結(jié)構(gòu)而引入失調(diào)電壓[2]。整體電路相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)、構(gòu)造簡(jiǎn)單和更利于集成。經(jīng)仿真及流片的結(jié)果驗(yàn)證，該分段溫度補(bǔ)償電路在保證電源抑制比的前提下，提升了基準(zhǔn)輸出電壓的溫度特性。在-55℃～125℃的范圍內(nèi)，溫度系數(shù)最優(yōu)可達(dá)到1.7×10-6/℃。

1 帶隙基準(zhǔn)原理及分段溫度補(bǔ)償原理

典型帶隙基準(zhǔn)利用相反溫度特性的基極發(fā)射極電壓(Base and Emit voltage, BE)VBE與ΔVBE相疊加。正向偏置VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，其值約為-2 mV/℃。VBE的表達(dá)式[3]為

(1)

圖1 分段溫度補(bǔ)償原理

其中，Vg0是二極管電壓在絕對(duì)溫度為0°狀況下的值，m是與制作工藝相關(guān)的溫度常量，K是玻爾茲曼常量，q是電子電荷量，T0是參考溫度[4]，系數(shù)ɑ與三極管集電極電流有關(guān)。

根據(jù)帶隙基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的特性，文中提出了一種分段溫度曲率補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，原理如圖1所示。在基準(zhǔn)電壓下降區(qū)間引入額外的補(bǔ)償電壓V1和V2，進(jìn)行微小的電壓補(bǔ)償[5]，并且在不同溫度區(qū)間使用不同大小的補(bǔ)償電壓以改善基準(zhǔn)電壓的溫度特性。當(dāng)TT2時(shí)，V1和V2同時(shí)作用而引入更大的補(bǔ)償電壓修正基準(zhǔn)電壓。

2 電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

文中設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)如圖2所示，包括啟動(dòng)電路、偏置電路、帶隙基準(zhǔn)電路及溫度補(bǔ)償電路[6-10]。

2.1 啟動(dòng)電路

帶隙基準(zhǔn)電路存在兩個(gè)簡(jiǎn)并點(diǎn)，即零點(diǎn)和正常工作點(diǎn)。設(shè)計(jì)啟動(dòng)電路就是防止電路工作在穩(wěn)定零點(diǎn)上。啟動(dòng)電路由電阻R1、R2與晶體管Q1、Q2、Q3、Q6組成，其中R1、R2、Q1、Q2、Q3使偏置電路脫離零點(diǎn)，Q6使反饋回路脫離零點(diǎn)。

圖2 分段溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)

電路上電之后，Q1支路導(dǎo)通，使得Q2基極到地有兩個(gè)VBE的電壓值，電流通過(guò)Qlp1、Q2進(jìn)入Q4支路，偏置電路導(dǎo)通，通過(guò)Q3向基準(zhǔn)各個(gè)支路提供電流，基準(zhǔn)核心正常工作后，Q2發(fā)射極電壓被抬高，Q2關(guān)閉。

另外，在啟動(dòng)電路中加入晶體管Q6，由Q2發(fā)射極電壓驅(qū)動(dòng)，使得上電過(guò)程中共射管Q5快速打開(kāi)，反饋環(huán)路可以立即工作，快速建立基準(zhǔn)電平。當(dāng)反饋環(huán)路脫離零點(diǎn)時(shí)，Q5基極電壓被抬高，Q6關(guān)閉。

2.2 偏置電路

電流源偏置電路是為了給帶隙基準(zhǔn)核心及反饋回路提供偏置電流，如圖2所示，由晶體管Qlp1、Qlp2、Q3、Q4和電阻R3、R4共同組成，其中R3、R4、Q3、Q4構(gòu)成雙極型峰值電流源。其中Q3發(fā)射極面積為Q4的m倍，在忽略基極電流的前提下，可得

(2)

其中，I3為Q3支路靜態(tài)電流，Ic4為Q4支路集電極電流。Q4支路上接基準(zhǔn)電平，Q4集電極電壓與基準(zhǔn)電壓有180°相位差，所以在電流源部分形成了負(fù)反饋回路，提高了穩(wěn)定性。

Qlp1、Qlp2組成電流鏡，Qlp2將Ic3擴(kuò)大n倍后供給各個(gè)支路。

2.3 帶隙基準(zhǔn)核心

帶隙基準(zhǔn)部分中，Q8、Q9和R7形成與絕對(duì)溫度成正比(Proportional To Absolute Temperature, PTAT)電流，即

(3)

其中，n為Q9與Q8發(fā)射極發(fā)射面積的比值。一階帶隙基準(zhǔn)電壓Vref表示為

Vref=VBE10+IPTAT(R5+R6+R7+R8) 。

(4)

通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值能夠得到具有近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，另外，式(4)中的各項(xiàng)均由PTAT電流控制，實(shí)現(xiàn)了高精度基準(zhǔn)的輸出，很好地抑制了電源噪聲。

2.4 溫度補(bǔ)償電路

溫度補(bǔ)償電路由晶體管Q11、Q12、Q13和電阻R5、R11、R12、R13、R14共同組成，文中設(shè)計(jì)了Q12和Q13兩條補(bǔ)償支路。

結(jié)合式(4)，輸出基準(zhǔn)電壓通過(guò)調(diào)整R6的值來(lái)改變T0點(diǎn)，并且結(jié)合仿真工具進(jìn)行R6值的掃描，尋找到在測(cè)量區(qū)間內(nèi)最為平滑的一條帶隙基準(zhǔn)基準(zhǔn)曲線。不選用單調(diào)遞減遞增曲線是因?yàn)檠a(bǔ)償方法的特殊性：

(1) 補(bǔ)償原理的本質(zhì)是通過(guò)設(shè)置檢測(cè)溫度點(diǎn)，引入新的電流來(lái)修正基準(zhǔn)電壓過(guò)T0的下降趨勢(shì)的。

(2)VBE(on)(T)由工藝決定，所以Q11開(kāi)啟溫度存在一個(gè)極小值，當(dāng)Vref-VBE(on)≥VBE(on)時(shí)，Q11開(kāi)始工作，所以在溫度點(diǎn)T1之前，基準(zhǔn)曲線的變化量要盡可能地小。

在低溫區(qū)域Q11射極電壓是基準(zhǔn)電壓減去一個(gè)結(jié)的電壓，這個(gè)電壓不足以驅(qū)動(dòng)低溫下的Q12和Q13，Q12和Q13不開(kāi)啟，R5兩端電壓的變化可忽略，結(jié)合式(10)，此時(shí)的輸出電壓為Vref。

當(dāng)T1

(5)

其中，第2項(xiàng)對(duì)VBE10各個(gè)分量進(jìn)行微小的修正，在補(bǔ)償溫度點(diǎn)之后對(duì)溫度系數(shù)進(jìn)行了系數(shù)為R5/R13的修正，通過(guò)調(diào)節(jié)R13大小可以控制補(bǔ)償電流的大小。

當(dāng)溫度繼續(xù)升高，VBE10的溫度系數(shù)繼續(xù)減小，Q12支路不足夠繼續(xù)補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓時(shí)，基準(zhǔn)曲線會(huì)再次減小。文中設(shè)置了溫度點(diǎn)T2，再次對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

由于Q13的開(kāi)啟溫度點(diǎn)需根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整準(zhǔn)確開(kāi)啟點(diǎn)。文中采用了比例電阻來(lái)控制Q13的開(kāi)啟溫度，假設(shè)基準(zhǔn)電壓恒定為1.2 V，可推導(dǎo)得

(6)

已知晶體管在大信號(hào)條件下具有相同的導(dǎo)通電壓，所以式(6)化簡(jiǎn)為

(7)

當(dāng)?shù)忍?hào)式(7)成立時(shí)，第2路溫度補(bǔ)償電路到達(dá)臨界開(kāi)啟時(shí)刻，此時(shí)溫度即為第2路溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)T2，可以通過(guò)改變R11與R12的比值來(lái)選取不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

當(dāng)溫度升至T2時(shí)，VBE(T2)

(8)

圖3 雙支路補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓曲線

式(8)在式(5)的基礎(chǔ)上，新引入了一項(xiàng)作為基準(zhǔn)曲線的高溫補(bǔ)償，相比于第1項(xiàng)，由于比例電阻的存在，第2項(xiàng)數(shù)值更小，并且僅在高溫范圍對(duì)失調(diào)項(xiàng)再次進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)調(diào)節(jié)R14的大小可以調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的大小，補(bǔ)償后的基準(zhǔn)曲線如圖3所示。

利用小波變換處理同步交流發(fā)電機(jī)三相輸出電壓信號(hào)，計(jì)算獲取分解信號(hào)能量值，將其與旋轉(zhuǎn)整流器已有故障模式的特征參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，從而判斷旋轉(zhuǎn)整流器有無(wú)故障，并進(jìn)一步判斷故障類型。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，表明基于小波變換的旋轉(zhuǎn)整流器故障診斷方法可有效地診斷旋轉(zhuǎn)整流器故障。另外，可進(jìn)一步對(duì)故障二極管定位問(wèn)題進(jìn)行深入研究和探討。

在式(5)～(8)中,所有溫度補(bǔ)償項(xiàng)系數(shù)均為電阻比值的形式。因此，從設(shè)計(jì)上消除了電阻溫漂帶來(lái)的影響，提高了電路精度。

修正后基準(zhǔn)公式可表示為

(9)

Qlp4、Qlp3和Q5構(gòu)成反饋回路，以提升基準(zhǔn)電路的穩(wěn)定性和電源抑制性能。

3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析

基于西岳電子3μm-18V雙極工藝，利用cadence軟件對(duì)上述帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)，版圖(如圖4所示)上端接觸引腳為修調(diào)電阻R6的燒調(diào)端口。

圖4 帶隙基準(zhǔn)電路版圖

根據(jù)式(10)，設(shè)計(jì)中消除了電阻漂移量，所以在版圖設(shè)計(jì)上，對(duì)這些電阻進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，采用共質(zhì)心思想，最大限度地消除電阻失配帶來(lái)的誤差。

基于西岳電子3μm-18V雙極工藝仿真庫(kù)，電源電壓為3.3V，溫度掃描范圍為-55℃～125℃，對(duì)加入補(bǔ)償前后的帶隙基準(zhǔn)電路進(jìn)行全綜合溫度電壓仿真驗(yàn)證，基準(zhǔn)電壓如圖5所示。

觀察圖5可以看出，電路加入補(bǔ)償結(jié)構(gòu)后的溫漂系數(shù)由36.67×10-6/℃降低至1.7×10-6/℃，全測(cè)量溫度范圍內(nèi)ΔVmax=456μV。當(dāng)溫度小于11.1℃時(shí)，補(bǔ)償電路對(duì)基準(zhǔn)電壓不進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)溫度介于11.1℃與98.5℃之間時(shí)，只有Q12正常工作；當(dāng)溫度大于98.5℃時(shí)，Q12與Q13同時(shí)工作，對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

圖5 修正前后基準(zhǔn)變化曲線

圖6 基準(zhǔn)源隨電源變化曲線

在3.3～5.5 V的變化范圍內(nèi)，輸出電壓變化僅為73.04 μV，即基準(zhǔn)在ΔV=2.2 V的電源變化范圍內(nèi)，電源抑制特性僅為0.03 mV/V。

圖7為不同工藝角下基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的曲線。通過(guò)計(jì)算可知，在不同工藝角下，Vref的溫度系數(shù)為1.7×10-6/℃～6.0×10-6/℃。

基準(zhǔn)由西岳公司流片后，給出了基準(zhǔn)的測(cè)試報(bào)告，采用金屬表面貼裝，基準(zhǔn)部分面積為400 μm×325 μm。

表1為基準(zhǔn)源3支電路實(shí)測(cè)結(jié)果，圖8為實(shí)測(cè)基準(zhǔn)源與溫度的變化曲線。

表1 基準(zhǔn)源實(shí)測(cè)結(jié)果

圖7 不同工藝角下基準(zhǔn)仿真曲線

圖8 實(shí)測(cè)3支電路的基準(zhǔn)曲線

經(jīng)芯片實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果比對(duì)，3支電路溫度系數(shù)分別為4.25×10-6/℃、2.32×10-6/℃和2.68×10-6/℃，與仿真結(jié)果相吻合。微小的差異主要來(lái)源于工藝，由于電路中采用了大量的基區(qū)注入電阻，工藝的漂移導(dǎo)致實(shí)測(cè)曲線有不同程度的變化趨勢(shì)，結(jié)合式(10)，由于設(shè)計(jì)中存在一個(gè)電阻R5，這個(gè)電阻的阻值影響著基準(zhǔn)曲線的起止電壓，出于對(duì)精度的考慮，R5在數(shù)值上只有1個(gè)方塊電阻，所以這個(gè)電阻的漂移并不會(huì)過(guò)大地影響基準(zhǔn)電壓的變化。工藝的漂移也會(huì)導(dǎo)致VBE(on)的變化，這也是3支芯片在高溫下有著不同表現(xiàn)的原因，主要是晶體管開(kāi)啟點(diǎn)的變化導(dǎo)致補(bǔ)償電路對(duì)基準(zhǔn)核心進(jìn)行了超量或欠量的補(bǔ)償。

表2 基準(zhǔn)源性能比較

表2給出了文中設(shè)計(jì)基準(zhǔn)源電路與參考文獻(xiàn)基準(zhǔn)電壓源的參數(shù)比較結(jié)果，在文獻(xiàn)[3]的溫度范圍，文中設(shè)計(jì)的溫度系數(shù)僅為0.7×10-6/℃～1.2×10-6/℃。對(duì)比結(jié)果表明，文中基準(zhǔn)電壓源性能較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種采用分段溫度補(bǔ)償方式的全雙極帶隙基準(zhǔn)電路，在溫度跨度(ΔT=180℃)范圍內(nèi)溫漂系數(shù)僅有1.7×10-6/℃～6.0×10-6/℃，且具有良好的電源抑制特性和較高的精度。該設(shè)計(jì)是易于實(shí)現(xiàn)高性能的帶隙基準(zhǔn)，可廣泛應(yīng)用于各種電源管理電路及高精度集成電路中。