在实际情况下,VBF并不是像我们前面分析电路工作时所认为的是与温度成线性变化的关系。根据文献提到的经验公式:
其中η是取决于双极性结构的参数,约为4,而a,当双极型晶体管电流与绝对温度成比例变化时,a为1,当电流与温度无关时,a为0。
前面两种电路分析过程都没有考虑VBE的非线性项引入的误差,为了得到更好的温度系数,必须对非线性项进行补偿。基本的补偿方法是校正非线性项,减去含有恒定电流的结产生的VBE和含有与绝对温度成比例变化电流的结产生的VBE。从图2我们看到IQ1与绝对温度成比例变化,IM2与温度无关。因此,如果将IM2镜像并注入到一个与双极型晶体管相连接的二极管,可以产生带恒定电流的VBE。完整曲率补偿的带隙基准电路如图3所示。R6和R7分别从M1和M2获得额外的电流,该电流与上述两种不同电流成比例。适当调整R6和R7的阻值可以实现预期的曲率补偿。
图3电路仅用两个电阻的补偿方法,比文献采用的方法要有效得多,而且比文献采用的方法要简单得多,因为文献采用运放,而文献采用开关电容结构。
分析上述3种电路,并且用Cadence的仿真工具Spectre,SMIC标准0.25μm工艺,对上述3种电路进行仿真,图4就是3种电路在工作电压2.5 V,-25~125℃条件下的仿真结果。带曲率补偿的带隙基准电压电路,从温度扫描结果(图4中Vout3),可以计算出温度系数TC=3.10 ppm/℃。对电源电压进行2~3 V扫描,VREF从646.5 mV变化到645.9 mV,PSRR=54.6 dB。结果证明图3曲率补偿的带隙基准电压电路在温度系数上要优于其他两种电路。
通过标识3种带隙基准电压电路各个支路的电流,计算3种电路在2.5 V下的功耗,分别为0.72l mW,O.799 mW和0.859 mW。
5 运放设计
带隙基准电压电路也可以由PMOS和NMOS管构成的简单放大电路和双极型晶体管组成,但是要得到比较高的电源抑制,一般都采用运放[1]。本设计所用到的三种带隙基准电压电路都是采用同一个运放。为得到较大的开环增益,该运放采用图2所示两级共栅共源结构,工作电压2.5 V,输入共模范围:O.7~1.7 V,输出电压摆幅:0.45~2.35 v,运放开环增益85 dB,相位裕度55°,单位增益带宽30 MHz,功耗0.645 mw。图5为运放具体结构。