關(guān)鍵詞：帶隙基準(zhǔn)源；溫度系數(shù)；電源抑制比

    引言

    電壓基準(zhǔn)廣泛地應(yīng)用在模擬電路中，在A/D、D/A的集成電路設(shè)計(jì)中，也需要基準(zhǔn)來確定其輸入或輸出的全程范圍。隨著電路系統(tǒng)的不斷復(fù)雜化，對(duì)基準(zhǔn)源的要求也越來越高。盡管MOS器件的許多參數(shù)已被考慮用于基準(zhǔn)產(chǎn)生，但雙極電路，因其晶體管的特征參數(shù)具有的重復(fù)性，并能提供正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的、嚴(yán)格定義的量，形成了此類電路的。由于基準(zhǔn)源的與溫度有關(guān)，提高必須降低溫度系數(shù)。因此本文采用溫度補(bǔ)償及負(fù)反饋的方法，大大的降低了基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)，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(zhǔn)源原理

    基準(zhǔn)是直流量，它與電源的關(guān)系很小，與溫度和工藝有一定的關(guān)系。由于基準(zhǔn)源的與溫度有關(guān)，提高必須降低溫度系數(shù)。采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，即在溫度區(qū)域內(nèi)找到一點(diǎn)，使得基準(zhǔn)源的輸出在該點(diǎn)的溫度導(dǎo)數(shù)為零，只要此點(diǎn)選取合適，就能獲得較小的溫度系數(shù)。

    圖1為帶隙基準(zhǔn)源的原理示意圖。

   
    圖1  帶隙基準(zhǔn)源的原理示意圖

    利用熱電壓VT的正溫度系數(shù)與雙極型晶體管B、E結(jié)電壓V_BE的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)償，以減小溫度漂移。其中V_BE的溫度系數(shù)在室溫時(shí)大約為-2mV/°C。而熱電壓V_T=KT/q，其溫度系數(shù)在室溫時(shí)大約為+0.086mV/°C。將電壓VT乘以常數(shù)K以后與電壓V_BE相加，便可得輸出電壓V_REF為：

    將式（1）兩端同時(shí)對(duì)溫度T求微分，并將V_BE和V_T的溫度系數(shù)值代入，令等式值為零，就可求得K的值，它使得帶隙基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)值在理論上為零。由于V_T與電源值無關(guān)，而VBE受電源變化的影響極小，故V_REF受電源的影響也很小。

    高帶隙基準(zhǔn)電路

    等效電路結(jié)構(gòu)與分析
    圖2為文本文介紹的一種雙極帶隙基準(zhǔn)電路的等效電路圖。

   
    圖2  帶隙基準(zhǔn)電路的等效電路圖

    此帶隙基準(zhǔn)電路基本工作原理是通過負(fù)反饋，保證穩(wěn)定的輸出電壓。在電路中，雙極型晶體管Q₂提供發(fā)射極偏壓為V_BE，由取樣電阻R₂上的電壓mV_REF產(chǎn)生了nV_T，其中n/m=K。由以上分析知，選擇適當(dāng)K，可使兩個(gè)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(shù)為零的基準(zhǔn)電壓。當(dāng)然由于不同工藝下的V_BE的負(fù)溫度系數(shù)有很大的差別，K的實(shí)際值略有不同。

    此電路中的運(yùn)放與常規(guī)運(yùn)放的不同之處在于其輸入差分對(duì)尺寸不同，故亦可理解成為加入一失調(diào)電壓。當(dāng)電阻R₂上的電壓等于此失調(diào)電壓時(shí)，運(yùn)放處于平衡狀態(tài)。當(dāng)輸出電壓增加時(shí)，R₂上的電壓增加，差分信號(hào)增大，運(yùn)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(shí)，當(dāng)輸出電壓減小時(shí)，差分信號(hào)減小，運(yùn)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(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。下文將作對(duì)此詳細(xì)討論。

    實(shí)際電路結(jié)構(gòu)與分析
    圖3為本文介紹的雙極帶隙基準(zhǔn)電路的實(shí)際電路圖。

   
    圖3   高帶隙基準(zhǔn)電路的實(shí)際電路圖

    基準(zhǔn)源中的運(yùn)放A_REF由四級(jí)組成，輸入級(jí)為差分對(duì)輸入，經(jīng)過兩級(jí)射隨后，經(jīng)過反向放大輸出。晶體管Q₇、Q₈、Q₉構(gòu)成威爾遜電流源，作為差分對(duì)的有源負(fù)載，同時(shí)完成雙端輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換。威爾遜電流源具有大的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻，并且輸出電流受β的影響也大大減小，在設(shè)計(jì)中選用它使基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)有了極大改善。

    下面以電流關(guān)系來闡述此電路補(bǔ)償原理。在圖3中，用i_xn表示電流，當(dāng)x為C、B、E時(shí)，表示流經(jīng)三極管Q_n的集電極、基極、發(fā)射極的電流；當(dāng)x為R時(shí)，表示流經(jīng)電阻R_n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(dāng)該電路處于平衡態(tài)時(shí)，_{ⁱ C5}也為定值，繼而有：_{ⁱ B4 → ⁱ R4 → ⁱ B1 → ⁱ C1}皆為定值。當(dāng)溫度降低時(shí)，有以下關(guān)系：

    由式（8）可以看出，當(dāng)溫度降低時(shí)，此電路通過負(fù)反饋可以使得輸出基準(zhǔn)電壓保持穩(wěn)定。    同理，當(dāng)溫度升高時(shí)，此電路通過負(fù)反饋也能使得輸出基準(zhǔn)電壓保持穩(wěn)定。

    設(shè)計(jì)該電路中運(yùn)放輸入差分對(duì)的兩個(gè)晶體管發(fā)射結(jié)面積不對(duì)稱，A₁₀＝6A₁₁，則反向飽和電流的關(guān)系為I_BES10＝6I_BES11。當(dāng)IE₁₀＝IE₁₁時(shí)，電路處于平衡狀態(tài)。C₁、C₂用于相位補(bǔ)償。由晶體管的原理可知：

    因此，為獲得平衡狀態(tài)，由以上條件可得：

    由于基準(zhǔn)源中的電阻網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)放形成負(fù)反饋，運(yùn)放的差分輸入電壓（V^- -V⁺ ）由輸出電壓V_REF的反饋網(wǎng)絡(luò)決定。即平衡狀態(tài)下，電阻R₂兩端的電壓為V_TLn6，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(jì)算時(shí)沒有考慮電阻的非線性溫度系數(shù)所致。

    在實(shí)際電路中，為了提高基準(zhǔn)電壓的度，還對(duì)電阻R₂和R₃用調(diào)節(jié)腳進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，即使實(shí)際工藝有一定偏差，也可以在一定范圍內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

    仿真與分析

    仿真結(jié)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(duì)電源工作電壓在10V范圍內(nèi)進(jìn)行直流掃描，得基準(zhǔn)電壓曲線如圖4所示。

   
    圖4   基準(zhǔn)電壓（VREF）電源抑制特性曲線

    對(duì)溫度在100°C范圍內(nèi)進(jìn)行直流掃描，得基準(zhǔn)電壓曲線如圖5所示。

   
    圖5  基準(zhǔn)電壓（VREF）的溫度特性曲線

    分析結(jié)論
    帶隙基準(zhǔn)電壓在溫度、電源電壓變化時(shí)的數(shù)據(jù)如表1所示。從以上的仿真結(jié)果與表1中的數(shù)據(jù)中可以得到以下結(jié)論：

   
    表1  V_REF隨溫度、電源電壓變化數(shù)據(jù)表

     1）此帶隙基準(zhǔn)電路輸出電壓溫度系數(shù)為：

    在實(shí)際電路中由于工藝及運(yùn)放失調(diào)等因素的影響，溫度系數(shù)實(shí)際值會(huì)增大一些。

     2）此帶隙基準(zhǔn)電路工作在寬電源電壓范圍內(nèi)，其電源抑制特性表現(xiàn)為：

    直流電源抑制比：

    為了說明本文所設(shè)計(jì)的雙極帶隙基準(zhǔn)電路的特點(diǎn)，將其與國(guó)際上經(jīng)典電路之主要指標(biāo)進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示，顯然，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和工程應(yīng)用價(jià)值。

   
    表2 與國(guó)際上經(jīng)典電路之比較結(jié)果

    結(jié)束語(yǔ)

    本文作者所設(shè)計(jì)的雙極帶隙基準(zhǔn)電路，通過改變負(fù)反饋運(yùn)算放大器的性能，從而使基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)達(dá)到了2.28×10^-6 ppm/°C的高，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?；谝陨闲阅軆?yōu)點(diǎn)，使得該基準(zhǔn)電路可以廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)中。