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第8卷第6期
一种高电源抑制比曲率补偿带隙基准电压源
吴谨1，常昌远1,石超2
（1.东南大学IC学院，南京210096；2.南京申瑞电力股份有限公司，南京211100）
摘要：在对传统典型CMOS带隙电压基准源电路分析基础上提出了一种高精度、高电源抑制带隙电
压基准源。采用二阶曲率补偿技术，电路采用预电压调整电路，为基准电路提供稳定的电源，提高了电
源抑制比，在提高精度的同时兼顾了电源抑制比，整个电路采用了CSMC0.5μm标准CMOS工艺实现，
采用spectre进行进行仿真，仿真结果显示当温度为-40℃~80℃，输出基准电压变化小于1mV，温度
系数为3.29×10-6℃，低频时（1kHz）的电源抑制比达到75dB，基准电路在高于3.3V电源电压下可
以稳定工作，具有较好的性能。
关键词：带隙电压基准；电压调整电路；曲率补偿
中图分类号：TN702文献标识码：A文章编号：1681-1070（2008）06-0035-04
AHighPSRRCurvatureCompensationBandgapReference
WUJin1,CHANGChang-yuan1,SHIChao2
（1.ICCollegeofSoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.NanjingSunrisePowerSystem
ControlLimitCo.,Nanjing211100,China）
Abstract:InthetraditionofthetypicalCMOSbandgapvoltagereferencecircuitanalysisbasedonahigh
precisionandhighpowersupplyrejectionbandgapvoltagereference.Secondordercurvaturecompensation
technology,useofpre-circuitvoltageadjustmentcircuit,asthebasecircuittoprovideastablepowersupply,
improvethepowersupplyrejectionratio,whileenhancingtheaccuracyofbalanceofthepowersupplyrejection
ratio,theentirecircuitusingastandardCMOSprocesstoachieveCSMC0.5μm,Aspectreforsimulation,the
simulationshowedthatwhenthetemperatureof-40℃~80℃,thebenchmarkoutputvoltageislessthan1mV,
temperaturecoefficientof3.29×10-6℃,whenthelow-frequency（1kHz）ofthepowersupplyrejection
ratioof75dB,thebenchmarkcircuitAbovethe3.3Vpowersupplycanbestabilized,withgoodperformance
Keywords:bandgapreference;temperaturecompensation;PSRR
收稿日期：2008-05-06
第8卷，第6期
Vol.8，No.6
电子与封装
ELECTRONICS&PACKAGING
总第62期
2008年6月
电路设计
1引言
在模/数转换器（ADC）、数/模转换器
（DAC）、动态存储器（DRAM）、Flash存储器等
集成电路设计中，低温度系数、低功耗、高电源抑制比
（PSRR）的基准源（Reference）设计十分关键。随
着便携式电子产品的广泛应用，电路设计中低压低功耗
的要求越来越高。因此为了更好地适应数模混合集成电
路的发展，基准电压源的设计性能要求进一步提高，设
计低功耗、高电源抑制比的电压基准源已经成为模拟设
计工程师的挑战。基准源的补偿方法很多，有指数补偿
法、电流补偿法、文献[2~4]提出了几种带隙基准源的补
偿方法，本文参考文献[2~4]的曲率补偿方法，设计了
一种具有较高电源抑制比的高精度CMOS带隙基准电
压源。
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电子与封装第8卷第6期
2带隙基准源原理和基本结构
图1典型带隙电压基准源原理图
带隙基准电压的主要原理就是将三极管基区和发
射极电压VBE的负温度系数的特性和两个三极管基区和
发射极电压之差ΔVBE的正温度系数特性补偿抵消温度
对输出电压的影响。
VREF=VBE+kVT（1）
将式（1）对温度T微分并代入VBE和VT的温度
系数可求得k，使温度系数在理论上为0。
（2）
上式对温度求导，得：
（3）
当温度T在T0附近时有：
（4）
上式表明输出温度系数只有在温度T等于T0时为0。
3曲率补偿
一阶补偿无法达到很高的精度，为了获得更高的
精度，必须进行曲率补偿。基准源曲率补偿方法很多，
有指数补偿、电流补偿、分段线性补偿法等，本文从VBE
的特性入手，将其分解成易于理解的表达式，再设法
在基本带隙基准源电路的基础上增加额外的补偿电路来
抵消里的非线性项。
本设计中，Q2管的发射极面积选为Q1、Q3的8
倍，即N=8，电路稳定工作时，由于运放的作用，
VA、VB两点的电压相等，可以通过调节电阻的值来改
变输出电压，由于VBE在其工范围内不是随温度线性变
化的，所以输出电压会受到BE结2次效应的影响，VBE
图2二阶曲率补偿结构
随温度变化的关系为：
（5）
VBG是带隙电压，VBE0是在温度T0时的BE结电压，
η是工艺参数，对于标准的CMOS工艺，η的值约为
4，如果流过BJT管的电流是PTAT的，则α取1；若
是与温度无关的，α取0。从上式可以看出，TlnT是
高阶非线性项，为了获得高精度的基准电压，必须对温
度系数进行二阶补偿。图中M3、R4、R5、Q3组成
了二阶曲率补偿的电路，因为流过Q3的电流是经过一
阶补偿的，所以Q3的电流与温度无关，α等于0，Q3
的电压可以表示为：
（6）
而Q1、Q2的电压为：
（7）
这样电阻R4、R5的电压就是Q1和Q3的电压差
VNL：
（8）
流过M1、M2的电流可以表示为：
（9）
可以看出要使上式中的电流与温度无关，只要其
中含有T的式子全部为0，最后只剩下VG/R2即可。具
体的式子为：
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第8卷第6期
，
解上两式可以得到：
，
取合适的R0值，可以求出R2、R4的阻值
电路的参考电压：，调节R3
的阻值可以得到需要的输出基准电压。
本设计采用PMOS差分管输入的运算放大
器，相对NMOS差分管输入的运放，提高了电源
抑制比。
图3运放原理图
（10）
（11）
4预电压调整电路的设计
由于存在沟道效应，图2中M1、M2、M3的电
流与电源电压VDD有关，从而使整个电路的电源抑制
比下降，本文采用了图4的结构[1]，使基准电路在高增
益反馈回路控制的电压调制器的输出为基准核电路提供
电压Vreg，提高了电源抑制比，与调制电路采用共源
共删放大器结构（M9~M13），以获得高负反馈环路
增益。放大器将节点B的电压变化放大，放大后的电
压由M13采样，并反馈一个电流到节点A，从而将
节点A的电压Vreg调整到正确值。
假设节点A上有一微小变化电压Vreg，加到调制
的电源电压上。对基准核心电路，Vreg会引起电流的微
小增量，从而导致节点C的电压比节点B的电压VB大
一些。运放将迫使VC等于VB，因此，误差放大器的
输出电压将保持与电压Vreg相同的变化，故M1~M4和
M5、M6的电流不会发生变化。电压Vreg变化引起的
大部分电流流过M13，电流。
环路增益：
r10为从M10漏极看进去的输出阻抗，β为与误
差放大器性能参数（如增益、PSRR等）相关的非线
性系数。
由（10）和（11）式可知，增加Aloopgain和Aop
可以提高基准源的PSRR。
5仿真结果
带隙基准电压产生电路使用CSMC标准0.5μm工
艺模型，利用Cadence的Spectre工具进行仿真，在典
型工艺模型下电路工作电压为3.3V时输出为607.52mV，
电路工作电流小于140μA，功耗小于462μW。表
1为基准电压电路在5种不同corner（工作电压为3.3V）
下的输出。
从图4可知，温度从-40℃~80℃变化时，输出VREF
表1不同工艺下基准输出
的变化为不到1mV；该模块有较好的温度特性。
电源抑制比的仿真结果如图5所示。电源电压为
3V时，电路在DC频率下的PSRR值约为-74.9dB，在
1MHz频率时，大约为40dB。
6结论
本文设计了一个二阶曲率补偿的基准电压源，采
吴谨，常昌远,石超：一种高电源抑制比曲率补偿带隙基准电压源
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电子与封装第8卷第6期
图4改进PSRR后的基准电路
图5温度扫描曲线
图6电源抑制比曲线
用标准CMOS工艺实现，通过仿真结果可以看出，电
源电压为3.3V时，工作温度范围在-40℃~80℃时，温
度系数为5.7×10-6℃-1，低频时，PSRR为-74.9dB，
具有较好的性能。
参考文献：
［1］余国义，邹雪城.一种新颖的高电源抑制比亚阈值
MOSFET电流基准源[J].微电子学，2007，37（2）.
［2］MingDouKer,JungShengChen,ChingYunChu.New
Curvature-CompensationTechniqueforCMOSBandgap
ReferencewithSub-1-VOperation[J].
［3］Khong-MengTham,KrishnaswamyNagaraj.ALow
SupplyVoltageHighPSRRVoltageReferenceinCMOS
Process[J].IEEEJournalofSolid-stateCircuits,1995,30
（5）.
作者简介：
吴谨（1978-），男，江苏南京
人，东南大学集成电路学院集成电路
设计专业工程硕士研究生，研究方向
为电源类集成电路设计；
常昌远（1961-），男,回族，湖
北荆门人，博士，研究方向为VLSI集
成电路分析与设计。
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