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一種采用二次曲率補償?shù)膸痘鶞试?/h1>
作者: 時間:2017-06-03 來源:網絡 收藏
1 引 言

帶隙基準源廣泛應用于各類集成電路|0">之中。在現(xiàn)代日益發(fā)展的今天,扮演了極其重要的角色。在轉換器以及一些模擬和數(shù)字電路中,起著至關重要的作用,它的溫度特性和抗噪聲能力直接決定了整體電路的精度和性能。因此,提高的精度是十分重要的。

本文介紹帶曲率補償?shù)膸痘鶞试吹脑恚⑵渑c傳統(tǒng)帶隙基準源進行比較,突出其在溫度特性上的優(yōu)點,并介紹一種運用曲率補償?shù)膸痘鶞试措娐贰?

2 傳統(tǒng)帶隙基準源原理

帶隙基準的原理是產生分別帶正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的電壓,然后通過電路讓其相加得到溫度系數(shù)很小,甚至沒有溫度系數(shù)的電壓。

傳統(tǒng)帶隙基準的電路結構如圖1所示。

負溫度系數(shù)電壓由雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓產生。我們可以得到:

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201706/347286.htm正溫度系數(shù)電壓由工作在不同電流密度的兩個雙極型晶體管產生,其結電壓的差值△就表現(xiàn)出正溫度系數(shù)。當兩個晶體管的尺寸相同,但集電極的電流分別是nIS1IS2。那么可得:

其中IS1=IS2。該溫度系數(shù)與溫度或集電極電流特性無關。

上述帶正負溫度系數(shù)的電壓,通過如圖1所示方式相加,可得:

為了得到零溫度系數(shù),可以通過調整R2,R3的大小得到。但是傳統(tǒng)帶隙基準源在工作溫度變化幅度比較大時,輸出電壓的精度會變低。

3 運用曲率補償?shù)膸痘鶞试?/strong>

3.1 曲率補償?shù)膸痘鶞试丛?

雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓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。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,與溫度一階相關項和高階相關項。在傳統(tǒng)帶隙基準源中,正溫度系數(shù)只補償了一階相關項,得到的電壓與溫度高階相關。

因此,為了消除高階項對電壓的影響,電路中要引入帶正溫度系數(shù)的高階項電壓。式(5)中,當流過二極管的電流為PTAT電流時,a=1??傻茫?

當流過二極管的電流與溫度不相關時,a=0。可得:

將式(6),式(7)相減,即可得與溫度高階相關項成正比的電壓。

3.2 帶隙基準源電路結構及其分析

圖2所示為新型帶隙基準源電路的核心部分。相比傳統(tǒng)帶隙基準電路中采用運算放大器的兩端產生等電位的方式,該電路使用的方式更加精確。傳統(tǒng)帶隙基準電路使用運算放大器的兩端作為電路的等電位點,但運算放大器存在輸入失調電壓。輸入失調電壓會影響基準電壓的精度。新型帶隙基準電路采用自舉電流源強制Q1和Q2的電流相等,消除了運算放大器失調電壓對輸出電壓的影響,并且電路具有較高的電源電壓抑制比。同時,該電路不僅能產生帶隙基準電壓源,而且能產生帶隙基準電流源。

圖2中,Q1,Q2,R1,R2,R3產生了帶隙基準電路的一階溫度補償。Q1和Q2流過的電流相等。Q1的尺寸是Q2的4倍,那么流過R2的電流為:

由基爾霍夫定律,將式(9),式(10),式(13)相加后,可以得到流過該電流源的電流,并通過鏡像電流源產生與溫度不相關的電壓Vref,其輸出電壓表達式為:

式(14)中,I2可對輸出電壓進行一階溫度補償,I3可對輸出電壓進行二階溫度補償。然后通過調整電路中的電阻值,可以得到理論上與溫度無關的高精度電壓源。

4 仿真結果與分析

本文基于0.6μm的CMOS工藝模型,并用Spectre進行了仿真。圖3給出了經過曲率補償后的溫度掃描曲線。經過二次曲率補償?shù)那€,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 語

本文分析了傳統(tǒng)帶隙基準電路和帶曲率補償?shù)膸痘鶞孰娐?,在理論上闡述了傳統(tǒng)帶隙基準的不足以及帶曲率補償帶隙基準電路的先進之處,提出了一種帶曲率補償?shù)膸痘鶞试措娐?,經過仿真,在-50~+125℃的溫度范圍中,新型帶隙基準電路的平均溫度系數(shù)為4.47 ppm/℃。該結果顯示帶曲率補償?shù)膸痘鶞孰娐肪哂懈玫臏囟忍匦浴?



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