一種采用二次曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源的設(shè)計(jì)
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1 引 言
本文介紹帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源的原理，并將其與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行比較，突出其在溫度特性上的優(yōu)點(diǎn)，并介紹一種運(yùn)用曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源電路。
2 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源原理
帶隙基準(zhǔn)的原理是產(chǎn)生分別帶正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的電壓，然后通過(guò)電路讓其相加得到溫度系數(shù)很小，甚至沒(méi)有溫度系數(shù)的電壓。
傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
負(fù)溫度系數(shù)電壓由雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓產(chǎn)生。我們可以得到：
其中IS1=IS2。該溫度系數(shù)與溫度或集電極電流特性無(wú)關(guān)。
上述帶正負(fù)溫度系數(shù)的電壓，通過(guò)如圖1所示方式相加，可得：
3 運(yùn)用曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源
3.1 曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源原理
雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE并不隨溫度線性變化，而是由式(5)確定：
其中，VBG是硅的能隙電壓，它只與材料本身有關(guān)。η是硅遷移率的溫度系數(shù)，其值大約為4。從上式可以看出，VBE可分為常數(shù)項(xiàng)，與溫度一階相關(guān)項(xiàng)和高階相關(guān)項(xiàng)。在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源中，正溫度系數(shù)只補(bǔ)償了一階相關(guān)項(xiàng)，得到的電壓與溫度高階相關(guān)。
因此，為了消除高階項(xiàng)對(duì)電壓的影響，電路中要引入帶正溫度系數(shù)的高階項(xiàng)電壓。式(5)中，當(dāng)流過(guò)二極管的電流為PTAT電流時(shí)，a=1?？傻茫?/P>
當(dāng)流過(guò)二極管的電流與溫度不相關(guān)時(shí)，a=0?？傻茫?/P>
將式(6)，式(7)相減，即可得與溫度高階相關(guān)項(xiàng)成正比的電壓。
3.2 帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)及其分析
圖2所示為新型帶隙基準(zhǔn)源電路的核心部分。相比傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路中采用運(yùn)算放大器的兩端產(chǎn)生等電位的方式，該電路使用的方式更加精確。傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路使用運(yùn)算放大器的兩端作為電路的等電位點(diǎn)，但運(yùn)算放大器存在輸入失調(diào)電壓。輸入失調(diào)電壓會(huì)影響基準(zhǔn)電壓的精度。新型帶隙基準(zhǔn)電路采用自舉電流源強(qiáng)制Q1和Q2的電流相等，消除了運(yùn)算放大器失調(diào)電壓對(duì)輸出電壓的影響，并且電路具有較高的電源電壓抑制比。同時(shí)，該電路不僅能產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且能產(chǎn)生帶隙基準(zhǔn)電流源。
圖2中，Q1，Q2，R1，R2，R3產(chǎn)生了帶隙基準(zhǔn)電路的一階溫度補(bǔ)償。Q1和Q2流過(guò)的電流相等。Q1的尺寸是Q2的4倍，那么流過(guò)R2的電流為：
由基爾霍夫定律，將式(9)，式(10)，式(13)相加后，可以得到流過(guò)該電流源的電流，并通過(guò)鏡像電流源產(chǎn)生與溫度不相關(guān)的電壓Vref，其輸出電壓表達(dá)式為：
式(14)中，I2可對(duì)輸出電壓進(jìn)行一階溫度補(bǔ)償，I3可對(duì)輸出電壓進(jìn)行二階溫度補(bǔ)償。然后通過(guò)調(diào)整電路中的電阻值，可以得到理論上與溫度無(wú)關(guān)的高精度電壓源。
4 仿真結(jié)果與分析
本文基于0.6μm的CMOS工藝模型，并用Spectre進(jìn)行了仿真。圖3給出了經(jīng)過(guò)曲率補(bǔ)償后的溫度掃描曲線。經(jīng)過(guò)二次曲率補(bǔ)償的曲線，在-50～+125℃的溫度范圍中，最大和最小值之差僅為1.98 mV，平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。
5 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路和帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路，在理論上闡述了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)的不足以及帶曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電路的先進(jìn)之處，提出了一種帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源電路，經(jīng)過(guò)仿真，在-50～+125℃的溫度范圍中，新型帶隙基準(zhǔn)電路的平均溫度系數(shù)為4.47 ppm／℃。該結(jié)果顯示帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路具有更好的溫度特性。
評(píng)論