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引言 電壓基準廣泛地應用在模擬電路中，在A/D、D/A的集成電路設計中，也需要基準來確定其輸入或輸出的全程范圍。隨著電路系統的不斷復雜化，對基準源的要求也越來越高。盡管MOS器件的許多參數已被考慮用于基準產生，但雙極電路，因其晶體管的特征參數具有最好的重復性，并能提供正溫度系數和負溫度系數的、嚴格定義的量，形成了此類電路的核心。由于基準源的精度與溫度有關，提高精度必須降低溫度系數。因此本文采用溫度補償及負反饋的方法，大大的降低了基準電壓的溫度系數，并且在寬電源電壓幅度范圍作用下，使其仍具有很好的電源抑制特性和很高的電源抑制比PSRR（Power-Supply Rejection Ratio）。 帶隙基準源原理 基準是直流量，它與電源的關系很小，與溫度和工藝有一定的關系。由于基準源的精度與溫度有關，提高精度必須降低溫度系數。采用溫度補償的方法，即在溫度區域內找到一點，使得基準源的輸出在該點的溫度導數為零，只要此點選取合適，就能獲得較小的溫度系數。 圖1為帶隙基準源的原理示意圖。 圖1 帶隙基準源的原理示意圖 利用熱電壓VT的正溫度系數與雙極型晶體管B、E結電壓VBE的負溫度系數相互補償，以減小溫度漂移。其中VBE的溫度系數在室溫時大約為-2mV/°C。而熱電壓VT=KT/q，其溫度系數在室溫時大約為+0.086mV/°C。將電壓VT乘以常數K以后與電壓VBE相加，便可得輸出電壓VREF為： 將式（1）兩端同時對溫度T求微分，并將VBE和VT的溫度系數值代入，令等式值為零，就可求得K的值，它使得帶隙基準電壓的溫度系數值在理論上為零。由于VT與電源值無關，而VBE受電源變化的影響極小，故VREF受電源的影響也很小。 高精度帶隙基準電路 等效電路結構與分析 圖2為文本文介紹的一種雙極帶隙基準電路的等效電路圖。 圖2 帶隙基準電路的等效電路圖 此帶隙基準電路基本工作原理是通過負反饋，保證穩定的輸出電壓。在電路中，雙極型晶體管Q2提供發射極偏壓為VBE，由取樣電阻R2上的電壓mVREF產生了nVT，其中n/m=K。由以上分析知，選擇適當K，可使兩個電壓的溫度漂移相互抵消，即令： 其中：????? 將式（3）、（4）代入式（2），有： 即理論值K≈26.23，從而由式（1）得到了在某一溫度下溫度系數為零的基準電壓。當然由于不同工藝下的VBE的負溫度系數有很大的差別，K的實際值略有不同。 此電路中的運放與常規運放的不同之處在于其輸入差分對尺寸不同，故亦可理解成為加入一失調電壓。當電阻R2上的電壓等于此失調電壓時，運放處于平衡狀態。當輸出電壓增加時，R2上的電壓增加，差分信號增大，運放輸出電壓升高，輸出電流減小以抑制輸出電壓的上升；同時，當輸出電壓減小時，差分信號減小，運放輸出電壓降低，輸出電流增大以抑制輸出電壓的下降，從而達到穩定輸出電壓的目的。下文將作對此詳細討論。 實際電路結構與分析 圖3為本文介紹的雙極帶隙基準電路的實際電路圖。 圖3 高精度帶隙基準電路的實際電路圖 基準源中的運放AREF由四級組成，輸入級為差分對輸入，經過兩級射隨后，最后經過一級反向放大輸出。晶體管Q7、Q8、Q9構成威爾遜電流源，作為差分對的有源負載，同時完成雙端輸入到單端輸出的轉換。威爾遜電流源具有大的動態內阻，并且輸出電流受β的影響也大大減小，在設計中選用它使基準電壓的溫度系數有了極大改善。 下面以電流關系來闡述此電路補償原理。在圖3中，用ixn表示電流，當x為C、B、E時，表示流經三極管Qn的集電極、基極、發射極的電流；當x為R時，表示流經電阻Rn的電流。通過分析可以得到： 其中i B4、i E5 、i R4為定值，即i C6與i R5、i C4與i B1同方向變化。當該電路處于平衡態時，i C5也為定值，繼而有：i B4 → i R4→i B1→ i C1皆為定值。當溫度降低時，有以下關系： 由式（8）可以看出，當溫度降低時，此電路通過負反饋可以使得輸出基準電壓保持穩定。 同理，當溫度升高時，此電路通過負反饋也能使得輸出基準電壓保持穩定。 設計該電路中運放輸入差分對的兩個晶體管發射結面積不對稱，A10＝6A11，則反向飽和電流的關系為IBES10＝6IBES11。當IE10＝IE11時，電路處于平衡狀態。C1、C2用于相位補償。由晶體管的原理可知： 因此，為獲得平衡狀態，由以上條件可得： 由于基準源中的電阻網絡與運放形成負反饋，運放的差分輸入電壓（V- -V+ ）由輸出電壓VREF的反饋網絡決定。即平衡狀態下，電阻R2兩端的電壓為VTLn6，故有： 比較（1）和（8）可知： K=23.06，跟理論值非常接近，其偏差是由于計算時沒有考慮電阻的非線性溫度系數所致。 在實際電路中，為了提高基準電壓的精確度，還對電阻R2和R3用調節腳進行調節。這樣，即使實際工藝有一定偏差，也可以在一定范圍內對基準電壓進行調節。 仿真與分析 仿真結果 通過以上分析，初步確定此電路的器件尺寸，并給定電路的工作條件為：溫度范圍：--25°C"75°C；電源電壓范圍：4.5V"14.5V。 在TT-Model下采用HSpice仿真軟件，基于Samsung BipolarP rocess BCH4仿真模型。對電源工作電壓在10V范圍內進行直流掃描，得基準電壓曲線如圖4所示。 圖4 基準電壓（VREF）電源抑制特性曲線 對溫度在100°C范圍內進行直流掃描，得基準電壓曲線如圖5所示。 圖5 基準電壓（VREF）的溫度特性曲線 分析結論 帶隙基準電壓在溫度、電源電壓變化時的數據如表1所示。從以上的仿真結果與表1中的數據中可以得到以下結論： 表1 VREF隨溫度、電源電壓變化數據表 1）此帶隙基準電路輸出電壓溫度系數為： 在實際電路中由于工藝及運放失調等因素的影響，溫度系數實際值會增大一些。 2）此帶隙基準電路工作在寬電源電壓范圍內，其電源抑制特性表現為： 直流電源抑制比： 為了說明本文所設計的雙極帶隙基準電路的特點，將其與國際上經典電路之主要指標進行比較,結果如表2所示，顯然，具有明顯的優勢和工程應用價值。 表2 與國際上經典電路之比較結果 結束語 本文作者所設計的雙極帶隙基準電路，通過改變負反饋運算放大器的性能，從而使基準電壓的溫度系數達到了2.28×10-6 ppm/°C的高精度，并且在△V=10V寬電源電壓幅度范圍作用下，使其具有1.2mV/V的電源抑制特性和79dB的直流電源抑制比PSRR。基于以上性能優點，使得該基準電路可以廣泛應用在溫度變化范圍大、工作電壓幅度寬的Bipolar/BiCOMS型集成電路設計中。 |
