基于溫度補(bǔ)償?shù)母邷囟雀呔确€(wěn)定性恒流源

在模擬電路中通常包含基準(zhǔn)源，基準(zhǔn)源在許多系統(tǒng)電路里都是關(guān)鍵部件，其電氣特性可以直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的電氣特性。在電路設(shè)計(jì)中，工程師們通常都需要一些溫度穩(wěn)定性好、輸出電流大、精度高的恒流源。這些特性的恒流源，往往對(duì)電路中電阻的精度要求和溫度系數(shù)的要求很高，這對(duì)一次集成技術(shù)來說是一個(gè)難題。而采用混合集成薄膜工藝生產(chǎn)的電阻能很好地達(dá)到電路系統(tǒng)的要求，使用混合集成工藝技術(shù)對(duì)擴(kuò)流效果也有很好的幫助。本文就是采用混合集成技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款具有高溫度穩(wěn)定性和高精度的恒流源?！　?/P>

1 工作原理

恒流源是由電壓基準(zhǔn)、比較放大、控制調(diào)整和采樣等部分組成的直流負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。恒流源的設(shè)計(jì)方法有多種，常用的串聯(lián)調(diào)整型恒流電源原理框圖如圖1所示。

主要包括調(diào)整管、采樣電阻、基準(zhǔn)電壓、誤差放大器和輔助電源等環(huán)節(jié)。通過采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，然后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較放大后的信號(hào)推動(dòng)調(diào)整管對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整，最后達(dá)到輸出電流恒定?！　?/P>

2 電路設(shè)計(jì)　　

2.1 電壓-電流轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)　　

電壓-電流轉(zhuǎn)換是恒流源的核心。最基本的恒流源電路如圖2所示?！　?/P>

圖2中工作電源電壓作為電壓輸入信號(hào)，運(yùn)放擔(dān)任比較放大的作用，Q1控制調(diào)整輸出電流Io。Vref為基準(zhǔn)電壓，它可以是任何一種電壓參考源，R0為采樣電阻；Vref耐為基準(zhǔn)電壓；Vr為運(yùn)放反相端電壓；Vo為運(yùn)放輸出電壓。根據(jù)運(yùn)放的基本原理，有：

上式表明：輸出電流由基準(zhǔn)電壓Eg和采樣電阻Rs決定?！　?/P>

當(dāng)輸出電流Io有任何的波動(dòng)時(shí)，Vr=VCC-IoRS就會(huì)有相應(yīng)的變化，△V=Vr-Vref經(jīng)過運(yùn)放調(diào)整三極管的輸出電流并使之恒定?！　?/P>

由此可知，要想獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流Io，必須要提供一個(gè)高精度的基準(zhǔn)電壓和高精度采樣電阻。又由于運(yùn)放在調(diào)整控制過程中的作用，運(yùn)放的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運(yùn)放是必要的選擇?！　?/P>

存在的問題：由于采樣電阻與負(fù)載串連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會(huì)隨之上升，導(dǎo)致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩(wěn)定性變壞。其次，恒流電源的輸出電流全部流過調(diào)整管，因此調(diào)整管上的功耗也很大，必須選擇大功率的晶體管，然而大功率晶體管需要較大的基極驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)運(yùn)放有較高驅(qū)動(dòng)能力的要求。再次，雙極型三極管的漏電流和電流放大系數(shù)對(duì)溫度比較敏感，溫度穩(wěn)定性較差。還有，電壓-電流變換器使用的負(fù)反饋閉環(huán)控制，電流穩(wěn)定度與放大器放大倍數(shù)有直接關(guān)系，在大功率電源里基本上是倒數(shù)關(guān)系。例如，若要求電流源的穩(wěn)定度要達(dá)到小于10-4，則放大器的放大倍數(shù)要大于一萬倍。運(yùn)方的溫度漂移和失調(diào)對(duì)電路的精度和溫度穩(wěn)定性有很大的影響?！　?/P>

要解決上述問題，需要對(duì)電路的控制調(diào)整部分進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電路如圖3所示：

用PMOS-PNP復(fù)合管來代替原來的PNP管。小信號(hào)等效模型如圖4所示：

小信號(hào)等效分析表明：復(fù)合管等效為PMOS管，它的跨導(dǎo)為(β+1)gm／(1+gmhie)，輸出電阻為RDS(1+gmhie)／(β+1)，輸出電阻與PMOS管近似。PMOS管具有較小的柵極電流和較大的漏極電流，能給三極管提供較大的基極電流。滿足了運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)壓力要求，使運(yùn)放不需要過大的驅(qū)動(dòng)能力，電路就能正常工作。PMOS管具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲低的特點(diǎn)，彌補(bǔ)三極管的不足，有助于提高恒流源的溫度穩(wěn)定性?！　?/P>

選用的運(yùn)放應(yīng)該有較高的增益，較低的輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，以及低溫漂和低噪聲電壓。在實(shí)際的版圖設(shè)計(jì)時(shí)，減小局部區(qū)域功率密度，對(duì)整體溫度系數(shù)的降低也能起到很好的作用。

2.2 電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)　　

基準(zhǔn)源類型較多，常見的有齊納二極管、隱埋齊納二極管和帶隙基準(zhǔn)源。3種基準(zhǔn)源的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。根據(jù)恒流源電路的要求和特點(diǎn)，這里選擇使用隱埋齊納二極管組成電壓基準(zhǔn)電路。為了進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓高穩(wěn)定性，采用如圖5所示的電路結(jié)構(gòu)?！?/P>

如圖5所示，流過隱埋齊納二極管的電流：

電阻R1，R2和R3是采用同一種工藝在同一個(gè)基片上制作的，具有相同的溫度系數(shù)等性能參數(shù)，R1／R2不隨溫度變化。因此，通過選擇合適的R1，R2和R3電阻值，就能使隱埋齊納二極管工作在穩(wěn)定的狀態(tài)、輸出穩(wěn)定的電壓。當(dāng)輸出電壓VZ出現(xiàn)任何波動(dòng)時(shí)，這種變化經(jīng)過誤差放大器放大后控制調(diào)整復(fù)合管的電流，進(jìn)而調(diào)整隱埋齊納二極管的電流，使VZ從新回到先前的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3溫度補(bǔ)償及采樣電阻的設(shè)計(jì)　　

在先前的電路設(shè)計(jì)中，采取了提高溫度穩(wěn)定性的一些措施。隨著使用環(huán)境的變化，對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求越來越高，為了進(jìn)一步提高電路的溫度穩(wěn)定性，目前普遍采用的是恒溫槽溫度控制和局部溫度控制。溫度控制需要附加的電路和器件，增加了電路的體積和功耗以及成本。啟動(dòng)(恒溫)時(shí)間過長、襯底溫度不均勻使溫度系數(shù)的降低受到限制，襯底的工作溫度較高，影響了器件的壽命和可靠性。這使得需要尋求新的方式滿足上述要求?！　?/P>

由公式IO=Vrefg／RS可知，對(duì)恒流源輸出電流溫度系數(shù)影響最大韻是基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)和采樣電阻的溫度系數(shù)。對(duì)于電壓基準(zhǔn)源，盡管采取了措施提高溫度穩(wěn)定性，但對(duì)于對(duì)溫度系數(shù)要求較高的電路是不夠的。由于采用的是隱埋齊納二極管式的電壓基準(zhǔn)，其出廠時(shí)溫度系數(shù)的大小和方向是使用者無法控制的，這足夠消耗掉在電路設(shè)計(jì)時(shí)提高溫度穩(wěn)定性所做的努力。解決的方法是選用采樣電阻作為溫度補(bǔ)償執(zhí)行器件、通過特殊的設(shè)計(jì)和制作、使采樣電阻具有和電源基準(zhǔn)大小方向合適的溫度系數(shù)。彌補(bǔ)電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)對(duì)恒流源溫度系數(shù)的影響，同時(shí)亦可彌補(bǔ)其他元器件溫度系數(shù)的影響?！　?/P>

采樣電阻的設(shè)計(jì)：在采樣電阻的設(shè)計(jì)中采用使用先進(jìn)工藝制作的薄膜電阻。薄膜電阻具有較小的方阻，在同一塊電路中設(shè)計(jì)2種正負(fù)溫度系數(shù)不同的電阻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電壓基準(zhǔn)溫度系數(shù)的特征，串接一部分正溫度系數(shù)電阻和一部分負(fù)溫度系數(shù)電阻的組成采樣電阻，使其整體呈現(xiàn)的溫度系數(shù)與電壓基準(zhǔn)溫度系數(shù)互補(bǔ)，這樣就可以補(bǔ)償前級(jí)溫度系數(shù)的偏差，降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度系數(shù)，調(diào)整一個(gè)合適的補(bǔ)償點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“0”溫度系數(shù)。這樣，在沒有增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的情況下，實(shí)現(xiàn)了提高溫度穩(wěn)定性的目標(biāo)。試驗(yàn)證明這個(gè)方法在實(shí)際生產(chǎn)中是便捷的、高效的。另外，根據(jù)采樣電阻的特殊設(shè)計(jì)，選用采樣電阻的不同連接方式，可以在一定的范圍內(nèi)選擇恒流源輸出電流的大小?！　?/P>

3 測(cè)試分析　　

經(jīng)過在生產(chǎn)線上投片，對(duì)4個(gè)批次的電路跟蹤測(cè)試。在25～85℃的溫度范圍內(nèi)，76％的電路溫度系數(shù)控制在5 PPM以內(nèi)，在輸出恒流電流為40 mA時(shí)精度控制在±5‰。經(jīng)過分析，認(rèn)為影響溫度系數(shù)最主要的原因采樣電阻的設(shè)計(jì)，因?yàn)樾枰蓸与娮璧臏囟认禂?shù)補(bǔ)償，這里希望得到的溫度系數(shù)是精確可控的，而不是越小越好。這需要電阻制作先進(jìn)工藝的技術(shù)支撐?！　?/P>

4 布線的藝術(shù)　

在畫版圖時(shí)的布線也是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)中選用的一些發(fā)熱量大的器件，如大功率晶體管，讓這些器件遠(yuǎn)離電壓基準(zhǔn)和采樣電阻等敏感元件。由于采用采樣電阻的溫度系數(shù)來補(bǔ)償基準(zhǔn)電源