一种电压基准高精度双向修调电路的设计

黄 冲，欧 健，袁 政，薛超耀

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

随着集成电路的发展，电压基准在模拟电路或数字电路中成为不可或缺的一部分，电压基准的精度直接影响数据采集系统的准确性，影响LDO，DC-DC转换器的输出电压。在集成电路的制造过程中因为环境、温度、电压、工艺角的变化会导致基准电压发生偏移，直接影响系统的精度。基准电压的精度不准确，直接影响产品的成品率和产品的利润、市场占有率。因此，发展基准电路的修调技术，用于提高电压基准的精度。传统的修调方法是用电阻进行修调，但在双向修调过程中会引起一定的误差，而且会影响基准电压的温度特性。文中提出了一种新的双向基准修调方法，在双向修调的过程中实现高精度的电压基准的修调。

1 传统的基准架构及修调方法

在现行模拟或数模混合电路中，通常采用带隙电压基准电路实现电压基准电路，基于这一原理的带隙基准有多种，图1为典型的CMOS工艺带隙基准电路的核心结构［1］。带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电压和温度无关的特性，利用正温度系数的电压ΔVBE与负温度系数的电压VBE相加得到一个低温漂、高精度的基准电压。

如图1所示，Q1和Q2是衬底PNP实现的三极管。负温度系数的电压VBE由Q1和Q2发射极提供;两个晶体管VBE之间的差值产生ΔVBE产生，电阻网络将 ΔVBE放大K倍;最后将两个电压相加，使两个相反温度系数的电压的温漂相互抵消［2］，因此可以得到在某个温度下为零温度系数的电压基准。对这种典型带隙基准电路，一般的精度调节方法是用trimming电阻，如图2所示，对熔丝VT1+-VT5+进行fuse，可以对电压基准进行向上修调，对熔丝VT6进行fuse，则可以对基准电压向下修调。设计时需要根据工艺和电压，对trimming的步长和可以修调的最大修调范围有一定的考虑，该调节方法的优点是易实现，缺点是在向下修调的过程中会引入开关管M1的导通阻抗，进而对基准的修调产生影响，向下修调的精度不高，而且修调时会影响基准电压的温度特性。

图1 经典电压基准核心架构

图2 传统基准双向修调方法

2 改进的电压基准及双向修调电路

图3所示为不同于典型带隙基准电路的修调电路，基准自身的总偏置电流为Ib，则Q1和Q2上流过的电流相等，均为正温度系数的电流，Ib-2×ICQ1在温度变化时并不理想为零，故需要拉电流和灌电流，该基准电路增加了一个衬底PNP双极型三极管Q3，用来调整基准的电流容纳能力，防止从OPA中拉/灌太多电流，否则增加OPA输入端的电压失调。没有修调电路时电压基准的分析如下［2-4］。

Q1和Q2的发射区面积比为1∶n。由于误差放大器的两个输入端电压相等，即VN=VP，因此R1上的电压降为

式中，VT=KT/q为热电压;IS1，IS2为Q1，Q2发射极的电流密度［5］，关系式为

因此I1的电流值为

由式(4)可知，基准电压仅与三极管的VEB、电阻的比值以及Q1和Q2的发射区面积比有关，因此在实际的工艺制作中将会有较高的精度。当基准稳定之后，基准电压与电源电压无关，理论上，只要选取合适的(R2+2R3)/R1的值就可以得到零温度系数的基准电压。但在实际的工艺制造过程中，由于电阻几何尺寸的误差、PN结的正向压降的漂移和不匹配等一些工艺上的误差，都会造成基准电压不准确，为满足芯片成品率的要求，当芯片生产出来后要对基准进行修正。

图3 双向基准电压的修调示意图

利用上述基准电压的推导公式可以得到修调后的基准电压

其中，ΔI=Isink-Isource，这样就有了一个调节量 ΔI，通过基准电压的大小就可以确定ΔI的方向，基准电压小于设定值时，通过Logic设定ΔI为正值实现向上修调，基准电压大于设定值时，通过Logic设定ΔI为负值实现向上修调，电流通过Q3来补偿。而不影响基准电压分支的电流分配，而且向下修调时无需引入MOS管导通电阻的问题。而修调的电流为正温度系数的电流和负温度系数电流相加的镜像，由此可以在不影响温度系数的情况下对基准电压进行修调。

3 仿真结果

电压基准的修调电路是用标准0.5 μm CMOS Process进行了Hspice仿真，图4和图5分别显示了基准的修调步长和基准的修调范围。

从仿真结果可知25℃条件下每一步的调节是4.5 mV，设定合适的步长电流，并根据所需调整的基准电压大小设置Logic的控制电平。如图4所示，000000表示没有进行trimming的基准电压，000001表示从Q3拉一个步长电流，将基准电压上调了4.5 mV;111111表示灌一个步长电流给Q3，将基准电压下调了4.4 mV。这种微小的差别由电流镜的厄利效应［6］引起，但总体上电压基准双向修调的步长是准确的。图7给出了基准上下调节的范围。011111表示将基准向上修调了147.3 mV;100000表示将基准向下修调了144.3 mV。这样大的范围和精度若用trimming电阻则需要很大的面积［7］。

4 结束语

文中提出的基准电压双向修调电路，可以解决修调时基准电压的温度系数的漂移［7］、传统修调方法中引入MOS开关管导通阻抗问题。用于修调的电流为正温度系数的电流和负温度系数电流相加的镜像，电阻与修调电流的乘积不仅和基准的温度系数相匹配，而且在不影响基准电压温度系数的情况下调节精度较高，使用trimming电阻达到相同的调节精度和范围需要很大的面积，用Logic控制的电流双向调节技术可以解决这个问题。

［1］HILBIBER D F.A new semiconductor voltage standard［J］.ISSCC，1964(7):32-33.

［2］RAZAVI B.Design of analog CMOS integrated circuits［M］.New York:McGraw-Hill，2002.

［3］PHILLIP E，ALLEN D R H.CMOS analog circuit design［M］.New York:McGraw-Hill，2000.

［4］GRAY P R，MEYER R G.Analysis and design of analog integrated circuits［M］.New York:Wiley Press，1984.

［5］LASANEN K，KOORKALA V.Design of 1-V low power CMOS bandgap reference based on resistive subdivision［C］.Midwest Symposium:MWSCAS，2002.

［6］WANG H，DANGLA J.Early effect of high-current-gain hetero junction bipolar transistor［J］.Electronics Letters，1986，22(23):1234-1236.

［7］GE G，ZHANG C，HOOGZAAD G，et al.A single-trim CMOS bandgap reference with a 3σ inaccuracy of±0.15%from-40℃ to 125℃［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，2011，46(11):2693-2701.