高精度带隙可编程基准电流源的设计

唐玉兰， 陈建慧

（1.无锡城市学院 电子信息工程系，江苏 无锡 214151；2.无锡职业技术学院，江苏 无锡 214121）

近年来，由于大规模集成电路制造工艺和技术的进一步发展，电路的集成度水平不断提高，片上系统（SOC）得到了广泛的推广，加快了模拟集成电路的进一步发展。而数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）［1－2］和模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）是联系现代数模电路中的重要接口部件，其重要性已经得到广泛认识。随着电路系统的进一步复杂，要求ADC，DAC等接口电路具有更高的精度和传输速度。

数模转换器［3－6］主要由电流源阵列、高精度可编程基准电流源［7］，DAC编解码电路等核心部件组成。其中，基准电流源是超大规模集成电路和电子系统的重要组成部分，广泛应用于ADC、DAC、高精度比较器、随机动态存储器、闪存以及系统集成芯片中。而在DAC中，精确的带隙基准电流源是十分关键的器件，占有很重要的地位。带隙基准电流源电路的输出电路几乎不受温度和电源电压变化的影响［8］，并且可以实现电源抑制比和低温度系数，这就使得带隙基准电流电路成了DAC电路芯片中不可缺少的关键部件。

现有的设计基准电流电路的方法主要有三种。第一，通过抵消迁移率的负温度特性和基准电压的正温度特性这种方法可以得到基准电流［9］；第二种方法也属于通过互抵消产生基准电流的途径，正温度系数电流由带隙基准电路来产生，而负温度系数电流是由VEB得到的；第三种方式主要是用非带隙电路通过二阶温度补偿产生基准电流［10］。为了实现电源抑制比（PSRR）和低温度系数，提高基准源的指标，从而进一步提高电路的性能，因此，本文提出了一种基于0.18μm标准CMOS工艺的高精度带隙可编程基准电流源的设计方案，成功应用于14位高速DAC中。

1 传统带隙基本原理

在DAC数据转换器中，存在一个稳定精确的基准源是必要的，它是数模转换电路中的关键部分，它的性能与量化精度紧密相关，影响着DAC的转换精度。在CMOS技术中，一般采用带隙基准电路，取得一个较宽的温度范围内获得随温度变化较小的基准电压。传统带隙基准源电路如图1所示。

图1 传统的CMOS带隙基准源电路Fig.1 Traditional CMOS bandgap reference circuit

式中：Eg是硅的带隙能量，T是绝对温度。双极晶体管VEB的差值为ΔVEB，它工作在不同电流密度时与绝对温度成正比：

带隙基准源的基本原理就是将一个具有负温度系数和正温度系数的两个电压以不同的权重相加得到一个与温度无关的基准电压［11］。如图1中所示，运算放大器A0、P管M1和M2构成一个使得运放正负输入端电压相等的负反馈。电阻R1上的电压ΔVEB是对称三极管Q1和Q2的差值，这两个三极管的发射极面积之比同为N。这个差值电压ΔVEB和绝对温度是正比关系，而该运放的输入电流又为零，所以绝对温度与加在电阻R1和R2上的电压也满足正比的关系。所以可通过合理选择R1、R2的值，得到与温度无关的输出电压：

其中，负温度系数和正温度系数分别位于公式的第一项和第二项。VEB与温度之间的关系是非线性的，补偿VEB中的线性项的方法，可以通过选择合适的电阻R1，R2和n值。新工艺中一般要求实现低压低功耗，而传统带隙基准源的输出电压一般处于较高位置，可见虽然已经采用了PTAT抵消VEB中的线性项的方法，但是非线性项仍然被保留了下来。

带隙电路的非理想性在于，第一，CMOS垂直管的β值低，因此垂直PNP管基区等效串联电阻较大，对设计存在重要的影响。第二，垂直PNP管的BE间电压与电流为非严格的指数关系，所以需要进行温度补偿。

2 高精度带隙可编程基准电流源

2.1 高精度带隙基准电路

通过减少失调电压的影响可以提高带隙基准精度。在图1中所示的带隙基准电路中加上运放的失调电压VOS，那么上式（3）可以转换成下面的形式：

因此，可以通过减小R2／R1的值减少失调电压的影响。图2为所设计的高精度运放。为了保证输出电压，设计的电路采用级联PNP管来减少失调电压的影响。由于失调电压对于电路的对称性有较大影响，因此采用指状交叉的版图设计方式来保证运放对管的对称性。

如图2中所示，Q1和Q2是PTAT的电流偏置量，Q3也是一个电流偏置量，但它的大小与温度没有联系。电阻R3上的电压为Q1、Q2和Q3基极－发射极的电压差，可以产生一个非线性电流，用于补偿高阶项：

图2 高精度带隙基准电路Fig.2 High precision bandgap reference circuit

因此，得到基准电压为：

2.2 可编程基准电流源电路

所设计的可编程基准电流源电路结构如图3所示，M10和M11把电流IDAC和Iref相加，然后镜像到M13～M14支路。其中，电流IDAC是由8位的DAC转换器产生的，而电流Iref是由M5和M6通过镜像得到的。此时，流过M7－M8的电流Ibias为Iref与IDAC之和。这里设计的DAC转换器的输出电流范围为8～32mA，为电流可控性DAC。可控性的实现是用改变DAC转换器的输入数字信号的方法，从而调节IDAC，达到调节Ibias的目的来实现的。

图3 可编程基准电流源电路结构Fig.3 Circuit structure of the programmable reference source

3 仿真及测试结果

3.1 带隙基准电路的仿真结果

图2所设计的带隙基准的温度特性如图4所示。温度从－40℃增大至＋120℃时，基准电压变化为3.2mV。很明显可以看到，达到了设计要求。

图4 带隙基准电路的温度特性Fig.4 Bandgap voltage as a function of temperature

图5为可编程基准源电路的仿真波形图，电路外接50Ω电阻，DAC编程信号D0～D7工作在125 MHz速度，D0～D7从0～255依次从小到大变化得到的基准电流源的输出电流瞬态曲线。可以看出基准电流源的输出电流按照DAC数字编程控制信号的变化从1.2μA依次增大到4.2μA，功能完全正确。

图5 可编程基准电流源输出电流瞬态曲线Fig.5 Transient current output of the programmable reference source

3.2 DAC的整体版图和仿真结果

最终设计的DAC整体版图如图6所示，图7为DAC的正弦编码仿真波形。版图采用SMIC 0.18 μm 1P6M设计规则设计。图7中显示的波形为RSET＝10kΩ，CODE＝127。从图中曲线可得，最大输出电流为19.6mA左右，带隙基准为1.15V。在实际应用中，可根据具体要求，调节CODE和RSET的值，从而调节输出电流大小，达到可控电流大小的需求。从图中分析可得，设计达到了应用需求。

4 结 论

本文提出了一种新颖的CMOS高精度带隙可编程基准电路，整个电路采用了0.18μm标准CMOS工艺，仿真结果表明，温度在－40～120℃范围内时，基准电压变化为3.2mV。该电路成功应用于14位高速DAC中，在应用中可根据实际电路的要求，调节RSET值和CODE值，控制输出电流变换，从而达到电流的可控可调。另外，此电路在对性能要求较高的数模混合电路中有广泛的应用潜力。

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