PTAT与CTAT电流生成
基准源的一切都始于”温度系数可控的电流”。双极晶体管提供两种天然温度特性的电流:CTAT(,负温度系数)与 PTAT(,正温度系数)。两者按比例加权即可构造零温度系数参考,这是带隙基准的物理基础。
前后关系
前置知识:双极晶体管大信号特性( 的 −2 mV/°C 温度特性)、MOS晶体管模型与特性(亚阈值指数特性) 后续延伸:带隙基准设计(PTAT + CTAT 加权)、偏置网络系统设计(PTAT 偏置对 g_m 的作用) 外部关联:基准源知识地图(本页所属 hub)
CTAT:V_BE 基电流
的温度特性(一阶近似):
- 线性近似:
- 最简电流源:,TC 约 −3000 ppm/°C(电阻 TC 可部分抵消)
- 优点:面积小、结构简单;缺点:绝对值依赖 与电阻工艺偏差
PTAT:ΔV_BE 差分电流
两个 BJT 在不同电流密度下工作时:
- 本身具有约 +3300 ppm/°C 的正 TC
- 与电阻 TC 相互补偿后可获得较低净 TC
- 电流密度比 由发射极面积比或电流比实现,通常
四类温度依赖电流(Rincon-Mora 分类)
| 类型 | 原理 | 典型用途 |
|---|---|---|
| PTAT | 一阶补偿的正 TC 分量;g_m 稳定偏置 | |
| CTAT | 与 PTAT 加权合成零 TC | |
| 温度无关 | PTAT + CTAT 加权和 | 通用偏置电流 |
| PTAT² | 生成器 | 二阶曲率校正原料 |
CMOS 实现要点
- 衬底 PNP:标准 CMOS 无独立 BJT,使用寄生衬底 PNP 的 替代 (发射区面积比仍有效)
- 亚阈值 MOS 的 PTAT 源(Kok):,其中 ()——全 MOS 基准的基础,但精度受电压依赖性与失配影响
- 偏置电阻的工艺偏差(Pertijs): 的偏差不影响 (比值决定),但影响 绝对值;可用修调码补偿
- 电流密度比精度:失配直接转为 误差;高精度场合用 DEM(动态元件匹配)时间平均消除
设计检查清单
- 电流密度比 的版图匹配(共质心/交叉指)
- 电阻类型选择:低 TC、低电压系数;必要时用不同类型电阻组合补偿
- PTAT 支路的启动行为(与自偏置环路共同验证,见 自偏置与启动电路)
- 运放钳位环路(若有)的失调预算(见 带隙基准误差预算)
参考文献
- P. R. Gray et al., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed., §4.7.2-4.7.3.
- G. A. Rincon-Mora, Voltage References, Ch.2 §2.1-2.5.
- K. Kok, J. Tam, CMOS Voltage References, 2013, Ch.1.
- M. Pertijs, J. Huijsing, Precision Temperature Sensors in CMOS Technology, Ch.3.