Bandgap常用电路及误差分析

A Single-Trim CMOS Bandgap Reference With a 3δ Inaccuracy of 0.15% From 40C to 125C

概述：

1、为了消掉process偏差导致的每片chip的偏差，需要使用trim技术对每片进行单独的校准

2、bandgap中process的偏差一般是线性的，可以通过单点校准来上下调节曲线的纵坐标进行校准

3、Bandgap中的运放offset偏差是非线性的，不能通过单点校准来消除

4、通常要降低运放的offset偏差可以使用bipolar充当输入对管，也可以使用大尺寸的MOS对管

前者的匹配性比较好但是需要bicmos工艺；后者在牺牲面积的情况下可以减小MOS对管的offset

5、运放的offset还可以通过添加调零电路和chopper电路来实现

前者会导致输出不连续同时增加运放的低频噪声；后者会使用时钟，增加动态功耗，同时带来高频下的ripple，需要大的滤波电容来减小ripple

6、VBE的温度特性是轻微非线性的（二阶非线性），需要使用曲率补偿减小该温度特性

Bandgap原理：

通过运放将VBEQ1钳位到R2上端，使得R2上电压压降为ΔVBE=VBEQ1-VBEQ2=VT*lnN，流过R1/R2支路的电流相等（R1/R2两端电压差值相等），则VBG表达式如公式(1)所示

Bandgap常用电路及误差分析：

实际bandgap电路如(a)所示，该架构中M1/M2存在失配，为了减小失配的影响，一般采用(b)架构，主要是利用R1A/R1B（电阻大，数量多，匹配度高）之间的失配比M1/M2小得多这个原理

Bandgap中的误差：

线性误差： a、三极管饱和漏电流IS的偏差   b、电阻的偏差   c、电阻mismatch

以上的线性误差可以通过trimming进行单点消除

非线性误差：

a、运放的失调电压offset  --  使用chopper电路

b、三极管的VBE电压    --    使用曲率补偿电路

Trimming原理：

VBG = VBEQ1 + IPTAT*R1A + 2*IPTAT*(R3+RT)，其中IPATA=VT*ln8/R2

调节RT的阻值，就能使得VBG的电压上升或者下降，此时VBG温度曲率不发生改变(IPTAT未被处理)

此处修改：RT的阻值改变不仅会影响BG的温度特性（RT直接影响IPTAT的系数）还会影响BG的DC电平，此处涉及到两种校准目标：

1、不关心VBG曲线的上下移动，当不同PV下，温度曲线会呈现不同的正温、负温特性（PVT仿真仿一仿就知道了）

此时需要两点校准：在0℃和80℃下（此处取值为假设）分别测量到VBG输出电压1.12V和1.18V，得到正温斜率，则按照编程code位控制减小RT值，可以调节温度特性变为水平

2、不关心调节RT对温度特性的影响，只需要单点校准，在室温27℃下，测量得到两片die，一片1.12v，一片1.25v，则前一片RT增大，后一片RT减小，使得VBG调整到1.2V

假设27℃下VBG随PV会发生40mV的上下总偏差，电阻RT变化范围设计20kohm，要想得到至少0.5mV的调节精度，则至少需要7BIT编程调节，得到40mV/(2^7)=0.3125mV的调节精度

VBE曲率补偿原理：

VBE非线性表达式如(6)所示，当三极管输入零温漂电流时，α=0；当输入为PTAT电流时，α=1

如上图左所示，Q1路流入PTAT正温电流，Q3路流入ZERO零温漂电流，则根据等式(7)(9)有：

Vvc = VBEQ3 - VBEQ1 = VT*ln(T/T0)

则上图右所示的实际电路中有：

Ibg/2 = Ipata+Ivc = VT*lnN/R2 - (-Vvc/R5)=VT*lnN/R2+VT*ln(T/T0)/R5

VBG = VBEQ1+R1*(Ibg/2)+(R3+RT)*Ibg = VBEQ1+(R1+2R3+2RT)/R2*VT*lnN+(R1+2R3+2RT)/R5*VT*ln(T/T0)

其中两个绿色部分VBEQ1中存在的-(η-1)*VT*ln(T/T0)非线性项和(R1+2R3+2RT)/R5*VT*ln(T/T0)项，可以通过电阻比例的合适取值抵消掉 → (R1+2R2+2RT)/R5=(η-1)   η通常取4

最终的VBG=VBEQ0*(T/T0)+(R1+2R3+2RT)/R2*VT*lnN，无二阶非线性项存在

审核编辑：黄飞