带隙基准源温度补偿综述

带隙基准源温度补偿综述

姚文广,任建,刘颐行,郑元敬,陈疆川

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，沈阳 110870）

摘要：本文介绍带隙基准源电路的发展脉络及技术背景，详细阐述了带隙基准源温度补偿的各种方式。本文详细介绍了二阶温度补偿和分段温度补偿的研究现状。并基于以上讨论对基准源温度补偿电路的未来发展前景做出展望。

关键词： 带隙基准源 温度补偿 线性化 

1.引 言：

作为集成电路的一个重要组成模块，带隙基准源为集成电路提供高精度、高稳定度的基准电压或偏置电流，直接影响着整个芯片系统的性能，带隙基准源由于其低温度系数、低温度电压以及与工艺兼容等优点，已经成为D/C转换器、A/D转换器等诸多模拟电路、数字电路和数模混合电路中不可缺少的功能模块，根据带隙基准原理，带隙基准电路需要温度补偿技术电路才能实现高精度的特点，现有的带隙基准电源的温度补偿技术的主要技术分支包括二阶温度补偿、指数型温度补偿、分段线性温度补偿、CMOS亚阈值区域温度补偿、线性化温度补偿和利用不同材料电阻温度特性的温度补偿等。

2.温度补偿技术

2.1二阶温度补偿技术          

传统的带隙基准电压源是利用三极管的负温特性和的正温特性产生的，其具体表达式可以写成 ：，但传统方法的一阶温度补偿并不能完全去除的高阶温度系数带来的误差，公式中电压为与绝对温度成正比，是三极管的基极−发射极电压，可以完全补偿掉中的一阶负温特性，由可得到一个与温度无关的电压。然而在实际应用中，由于三极管基极-发射极电压的非线性，传统的一阶温度补偿无法消除的高阶温度系数带来的影响，因此，需对高阶项进行高阶温度补偿 。通常对进行高阶温度补偿有两种思路，一种思路是将项进行泰勒展开，通过设计电路结构将其高阶项抵消,从而实现高阶温度补偿,另一种思路是设计出可以直接抵消项的电路，从而达到高阶温度补偿的目的。

图 1二阶补偿基准电路

如图所示为一种简单的二阶曲率补偿的核心电路。该电路的特点是器件少，占用面积小，在传统带隙电压基准的基础上，增加了一个在高温区会导通的等效电阻。其中M4、M5、R3组成了补偿电路.在补偿电路中M5管被偏置在亚阈区，随着温度升高，流过R3的电流会随着T增大。M5的栅极电压不断增大，最终M5工作在深三极管区，并对流过R1的电流进行分流，M5的电流逐渐变大，改变了的值，从而减小了变化率，使得基准输出曲线在高温时趋向平直,从而起到了二阶曲率补偿的作用。

2.2分段线性补偿技术

由于带隙基准源中VBE具有温度非线性，其特性曲线一般为开口向下的抛 物线。

与传统一阶补偿在整个温度区间内采用同一正温度系数对负温度系数进行补偿不同，分段线性补偿时通过将整个温度范围拆分为若干段，同时在每个区间段内采用具有不同正温度系数的完成对负温度系数的补偿。若将整个温度范围分成若干段分别进行补偿则可以有效地降低其温度系数获得高精度的基准电流输出。

图为一种先进的带隙基准源分段线性温度补偿方法，其中低温补偿电路 采用以基准自偏置电路[6]构成的负温度系数，电流源与正温度系数偏置电流进行求差，以实现低温段温度曲率可控的CTAT电流源。其中，低温补偿电路是由M51、M51、和Q10组成、以为基础的偏准自偏置的CTAT电流源，M52的漏端电流为：,由于具有负温度系数，因此为CTAT电流。低温补偿电路comp1工作过程如下：当温度小于温临界温度T时，具有负温度系数的大于正温度系数的，其差值大于零且具有斜率可控的负温度系数。随着温度的升高，减小，增大，当到达临界温度T时，两者相等，M51管进入线性区截止，低温补偿电路停止工作。低温补偿电路采用和相同电路架构，通过设置中补偿电流镜的宽长高温补偿电路采用PTAT偏置电流与CTAT电流求差，以实现温度斜率可控的PTAT补偿电流源。

其中高温补偿电路是由M34~M38、Q7和R10构成以为基准自偏置的CTAT电流源，M32、M34和M35组成电流镜以实现PTAT偏置电流与CTAT电流求差，比和电阻值，可以控制补偿电流的温度斜率，随着温度的升高，减小增大，当到达临界温度T时，M33管脱离线性区开始导通，此时具有正温度系数的大于负温度系数的，，大于零且具有斜率可控的正温度系数。高温补偿电路采用和相同电路架构，工作过程一致。经检验基准电压系数有了较大的改善。可以满足低温漂、高精度、高可靠性的需求。

3.总结与展望

对带隙基准源温度补偿技术领域的探索对于研究集成电路领域起着重大作用，尤其在需要高精度的电路中尤其重要，本文主要介绍了分段温度补偿和指数型温度补偿的研究现状工作原理，结构的分析和技术总结，为下一步对该领域的探索提供了参考。在撰写过程中感受到了未来集成电路设计领域具有的十分强大的生命力和竞争力．

参考文献

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