（微电子学与固体电子学专业论文）一种带隙基准电压源的设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 基准电压源是模拟电路( 混合信号电路) 设计中广泛采用的一个关键的基本模块。 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺 参数和温度的关系很小，但是它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个电路系统的精度 和性能。本文的目的便是设计一种高精度带隙基准电压源，可以为白光l e d 调压电荷泵 提供所需的稳压输出。 本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状及趋势。然后详细介绍了带隙基准电 压源的性能指标，分析了带隙基准源的基本原理及基本结构，并对不同的结构进行了比 较。接着对如何提高带隙基准的电源抑制比以及带隙基准电压源的温度补偿原理进行了 分析，还总结了目前提高带隙基准电压源温度特性的各种方法。在此基础上运用曲率校 正、内部负反馈电路、r c 滤波器、快速启动电路和过温保护电路，设计出了具有良好 的温度特性和高电源抑制比的带隙基准电压源电路。最后应用h s p i c e 仿真工具对本文 中设计的带隙基准电压源电路及其附属的过温保护电路进行了完整模拟仿真并分析了 结果。 模拟和仿真结果表明，电路实现了良好的温度特性和高电源抑制比，2 5 1 1 0 。c 温 度范围内，基准电压温度系数大约为8 7 p p m 。c ，在1 0 0 h z 到1 0 m h z 频率范围内平均 电源抑制比( p s r r ) 可达到1 0 0 d b 以上。同时，由于有过温保护电路的存在，在1 2 5 0 c 时产生触发信号，使得系统关闭，当温度低于1 1 5 。c 时系统恢复正常工作，具有1 0 0 c 的迟滞效应。 关键词：带隙基准电压源；过温保护电路；温度系数；电源抑制比；迟滞效应 一种带隙基准电压源的设计 t h ed e s i g no fab a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e a b s t r a c t v o l t a g e r e f e r e n c ei st h ev i t a lb a s i cm o d u l ew h i c hi sw i d e l ya d o p t e di na n a l o gc i r c u i t s ( m i x e d s i g n a lc i r c u i t s ) i tc 锄s u p p l yav o l t a g ew i t hh i g hp r e c i s i o na n dh i g hs t a b i l i t y t h ep o w e r s u p p l y ，t e c h n i c sp a r a m e t e ra n dt e m p e r a t u r eh a sl e s s e re f f e c tt ot h i sv o l t a g e i t st e m p e r a t u r e s t a b i l i t ya n d a n t i n o i s ec a p a b i l i t yi n f l u e n c et h ep r e c i s i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nah i g hp r e c i s i o nb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e , w h i c hc a n s u p p l yas t e a d yv o l t a g eo u t p u tf o rt h ec h a r g ep u m po fw h i t el e d i nt h i sp a p e rt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t a lt r e n do fv o l t a g er e f e r e n c es t u d i e s b o t h 砒h o m ea n da b r o a dw i l lb ep r e s e n t e d t h ep e r f o r m a n c ei n d e xo fv o l t a g er e f e r e n c ew i l l b ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ew i l lb e a n a l y z e d , a n dt h e nt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r ew i l lb ec o m p a r e d b ya n a l y z i n gt h ep o w e rs u p p l y r e j e c t i o nr a t i o ( p s r r ) a n dt h ep r i n c i p l eo ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n , t h em e t h o do f i m p r o v e i n gt h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i cw i l lb es u m m a r i z e d t h ed e s i g no fab a n d g a p v o l t a g er e f e r e n c ec i r c u i tw i t hh i g hp o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i oa n dg o o dt e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i ci s c o m p l e t e db ya p p l y i n gc u r v a t u r ee m e n d a t i o n i n s i d en e g a t i v e f e e d b a c k t e c h n o l o g y ，r cf i l t e r , f a s ts t a r t - u pc i r c u i ta n do u tt e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec i r c u i t ( o r p ) a tl a s t , t h ec i r c u i t sh a v eb e e ns i m u l a t e dw i t hh s p i c es i m u l a t i o nt o o l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a t ，a tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f - 2 5 。ct o1 1 0 。c ，t h e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ( t c ) i sa b o u t8 7 p p m * c i nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f1 0 0 h zt oi o m h z t h ea v e r a g ep o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i oi sm o r et h a n - 1 0 0 d b a t1 2 5 。c ，t h eo t ph a v ea s i g n a lt os h u to f f t h ew h o l ec i r c u i t w h e nt e m p e r a t u r ei sl o w e rt h a n1 1 5 。c ，t h ec i r c u i tw i l l s t a r tu pa g a i n i 碰sc i r c u i th a sa h y s t e r e s i se f f e c to f1 0 。c k e yw o r d s ：b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e ；o u tt e m p e r a t u r ep r o t e c t i v ec i r c u i t ；t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t ；p o w e rs u p p l yr c j e c t i o nr a t i o ；h y s t e r e s i se f f e c t h 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：j 棼；农一日期：二坚 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 7 苁；皮 导师魏歪猛兰 塑卫年上月三生日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 基准电压源( r e f e r e n c ev o l t a g e ) 是指在模拟电路或混合信号电路中用作电压基准 的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪性能影响着整个 电路系统的精度和性能。模拟电路使用基准源或者是为了得到与电源无关的偏置，或者 是为了得到与温度无关的偏置，其性能好坏直接影响电路的性能稳定，可见基准源是电 子电路不可或缺的一部分，因此也可以说性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本 和关键的要求之一。 随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如a d 、d a 转换器、 滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也就意味着系统对其中的 基准电压源模块提出了更高的要求。另外，基准电压源是电压稳压器中的一个关键电路 单元，它也是d c - d c 转换器中不可缺少的组成部分；在各种要求较高精确度的电压表、 欧姆表、电流表等仪器中都需要电压基准源【1 】。 1 1 国内外发展现状及趋势 近年来，国内外对c m o s 工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表了大量的 学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。 ( 1 ) 低电压工作的基准电压源 s o c ( s i g n a lo p e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 的主流工艺是c m o s 工艺，目前，5 v ( 0 6 u r n ) 、 3 3 v ( o 3 5 u r n ) 、1 8 v ( 0 1 8 u r n ) 、1 5 v ( 0 1 5 u m ) 、1 2 v ( o 1 3 u r n ) 、0 9 v ( o 0 e 哪) 等的电源电压已经得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压 工作的电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压为 1 2 v 左右，所以，对于电源电压低于1 2 v 的基准设计必须采用特殊的电路结构，许多 文献2 1 都提出了输出基准电压低于1 2 v 的电路结构。采用这些电路结构后主要的工作 电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的电路结构和m o s 管衬底效应造成的 高阈值电压是限制工作电压的主要因素。 ( 2 ) 低温度系数的基准电压源 低温度系数的电压基准源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说对于高精度 的d a 、a d 结构，高精度的电流源、电压源等。对于普通的一阶温度补偿的带隙结 构的温度系数一般在2 0 5 0 p p m 。c l ”，因此，设计低温度系数的电压基准源一般必须 进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括二阶曲线补偿技术【4 j ，指数曲线补偿 技术嘲，线形化v b e 的技术吲，基于电阻比值的温度系数的曲线补偿方法【7 j 等。 一种带隙基准电压源的设计 ( 3 ) 高电源抑制比的基准电压源 在数模混合集成电路中，电路中可能存在的高频噪声和数字电路产生的噪声对模拟 电路产生信号干扰。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源抑 制比性能。国外文献中，使用运放结构的带隙基准技术 s l ，在直流频率时的p s r r ( p o w e r s u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ，电源抑制比) 可达1 1 0 d b ，在1 m h z 的p s r r 达7 0 d b ：而使用 无运放负反馈结构的带隙基准1 9 l ，在1 k h z 的p s r r 为一9 5 d b ，在1 m h z 的p s r r 为 - 4 0 d b 。 ( 4 ) 低功耗的基准电压源 低功耗设计对于p d a 、l a p t o p 以及依靠电池工作的便携设备等低电压工作的手 持设备具有非常重要的意义。低功耗电路可以延长电池的使用寿命。文献【8 】中电路的功 耗为2 2 0 u w 。 1 2 研究的目的意义 传统的基准源是基于稳压二极管的原理制成，但由于它的击穿电压一般都大于现在 电路中所用的电源，已经不再常用。2 0 世纪7 0 年代初，w i d l a r 首先提出带隙基准电压 源的概念和基本设计思想，由于其在电源电压、功耗、稳定性等方面的优点，得到了广 泛的应用。现在拥有带隙基准源的集成电路已广泛应用于军事装备、通讯设备、汽车电 子、工业自动化控制及消费类电子产品等领域。 随着微电子技术不断发展，目前常用的集成电路工艺大体上可分为双极型h b t 、 m e s f e t h e m t 、c m o s 和b i c m o s 四大类型【l o l 。其中，双极型工艺是集成电路中 最早成熟的工艺，c m o s 工艺技术是在p m o s 与n m o s 工艺基础上发展起来的，已 经逐渐发展成为当代v l s i ( 超大规模集成电路) 工艺的主流工艺技术。双极型集成电 路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对来说，器件功耗较大；而c m o s 电 路具有功耗低、器件面积小、集成密度大的优点，但是器件速度较低f l l j 。因此，为了顺 应集成电路的发展需要，融合这两种技术优点的新技术b i c m o s 产生了，使带隙基准 电压源获得了飞速的发展。尽管这种工艺存在着工艺复杂和成本偏高的缺点，但由此换 来的高性能却是前两种工艺无法实现的，本文也将采用b i c m o s 工艺，设计出一种高 性能的带隙基准电压源。 为了实现高精密带隙基准电压源的设计，本文将重点研究影响带隙基准电压源 ( b g r ) 性能的因素和提高b g r 性能的方法，并结合所做的项目1 e d 调压电荷泵芯 片，对其高精密带隙基准电压源的完整设计分析，从实践中学习设计高精密带隙基准电 压源的方法。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 2 带隙基准电压源的基本原理 2 1 基准电压源的主要性能指标 ( 1 ) 精度 电压基准源的输出电压与标称值的误差，包含绝对误差和相对误差，称为该电路的 精度，一般在空载的条件下测量。在很多应用中，比如在高精度d a c a d c 这样需要绝 对测量的系统，精度是最重要的指标【n i 。 ( 2 ) 温度系数t c ( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 温度系数反映因环境温度变化引起的输出电压的变化，一般用p p m 。c 来表征【廿】。 温度系数定义为基准源在整个工作温度范围内输出电压最大变化( 最大值与最小值的差 值) 相对标称输出时的变化率，如式( 2 1 ) 所示。 彤- 【_ 二铿 当譬_ 1 1 0 6 ( 2 1 ) ，( z k “一z _ 。) 1 ( 3 ) 噪声 基准输出电压中的噪声通常包括宽带热噪声和窄带1 f 噪声。宽带噪声可以用简单 的r c 滤波器有效的滤除。1 f 噪声是基准源的内在固有噪声，不能被滤除，一般在0 1 到1 0 h z 范围内定义，单位为缈；一，。对于高精度系统，低频的1 f 噪声是一个重要的 指标【1 4 】嗍。 ( 4 ) 电源抑制比p s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ) 电源抑制比反映的是因电源电压的变化而引起的输出电压的变化，一般用分贝( d b ) 来表征。定义为电源电压变化率与输出电压变化率的比值，如式( 2 2 ) 所示。 只野矾a v d d v d d a 吆” ( 2 2 ) 2 2 带隙基准电压源的基本原理 如图2 - 1 所示，带隙基准源基本原理是利用了p ，艇的负温度系数和热电压的正温 度系数，二者相抵消即可形成与温度无关的基准电压源。其输出d g w , v o w 一e + m v t 当选择了恰当的m 值后，即可实现。与温度无关。 一种带隙基准电压源的设计 图2 1 带隙基准电源的基本原理 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l eo fb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e 2 3 带隙基准电压源的几种结构 2 3 1 w i d l 0 1 带隙基准电压源 w i d l 自r 带隙基准电压源如图2 2 所示。 基准电压从q 3 的集电极引出，其表达式为： - ，+ ： 根据晶体三极管的原理： ! 猛 l n ls l e 。 ! 鳌 i c 2 一i s 2 e8 e ( o n ) * n u t ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中k 为玻尔兹曼常数，q 为电子电量，t 为热力学温度( 绝对温度) 因为，q i ，q 2 的几何尺寸完全相同所以，。，与以：相等，将式( 2 4 ) 与( 2 5 ) 相除得： t ，l ：。铷吲 对式( 3 4 ) 两边取对数，整理后得： ( 2 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 a ，一：里1 1 l 鲁 qf 2 i c l v q 1 i e l l v = 图2 2w i d i c r 带隙基准电压源 f i g 2 2 t h ew i d l e rb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e 从电始上看，a 止好是电阻r 3 上的雎降： - 玛x l e 2 如果晶体管的卢值很高，可以忽略l 的影响，认为t ：- ，。：。于是： v r 2 = r 2 x i t 2r 2x i 。2 = i r 2a 将：表达式代入式( 2 3 ) 得： 。，+ 卺等h 皂 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 在电路中，电阻r 1 和r 2 上的压降近似相等，都等于，减去一个p ，衄，所以： 一种带隙基准电压源的设计 l l l 2 - ，c l i c 2 一r 2 r i ( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 0 ) 得： 。，+ 卺等h 鲁 c z t 2 ， 这就是w i d l c r 带隙基准电压表达式。式中第一项具有负的温度系数，第二项具有正 的温度系数，适当地选择电阻比值，可以使正、负温度系数互相抵消，从而实现零温度 漂移1 1 “。 2 3 2 b r o k a w 带隙基准电压源 r a q 1 图2 3b r o k a w 带隙基准电压源 f i g 2 3t h eb m k a wb a n d g a pv o r a g er c f e m n c e w i d l e r 带隙基准源的主要缺点是难以保证电流比l 。i 。：不随温度变化。为了克服 这个问题，可以采用改进的电路结构，当然这增加了电路的复杂性，即增加一个带有高 增益运算放大器的反馈回路。b r o k a w 带隙基准电压源的结构如图2 3 所示，使q 2 的射 极面积为q 1 的倍。输出电压可表示为m 】： 1 7 ：口一f 么l + ( ，c 1 + i c 2 ) x r 2 ( 2 1 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 假定集电极电阻r 。和r 完全相同，由于运算放大器输入端“虚短”，q 1 和q 2 的集电极电流被强制相等。 电阻r 2 上的压降等于q l 和q 2 的射极电压差p k ，因此输出电压又可表示为： 一+ 2 詈巧t n ( n ) ( 2 1 4 ) 瓜2 从( 2 1 4 ) 式看出，适当调节r 1 r 2 和n ，也可实现正负温度系数相互抵消。与 w i d l e r 带隙基准的表达式( 2 1 2 ) 相比，在对数项中的电阻比不存在，需要调整的参量 变少，手工艺影响的因素减少，同时与电源电压无关，所以基准电压的精度提高了。但 是b r o k a w 带隙基准电压源也有着很大的缺点：第一，运放的输入失调电压会给输出带 来误差，限制了带隙基准源电源抑制比的提高；第二，通过r 1 和r 2 分别给q 1 和0 2 提供偏置电流，电路的静态功耗大，而且偏置电流易受温度影响。 2 3 3k u j i k 带隙基准电压源 与w i d l e r 和b r o k a w 带隙基准电压源不同的是，k u j i k 带隙基准源采用的是c m o s 工艺，而前两者采用的是双极工艺。k u j i k 带隙基准源的结构如图2 4 所示。 图中，电流1 1 和1 2 的关系为： 卫兰 ( 2 1 5 ) j 2r 产生于电阻墨的电压为： - 畦净硌喑净 旺 输出的基准电压为： v o - t + ：一，+ i r 2m 酉r 2 等) ( 2 1 7 ) 由于c m o s 晶体管的阈值电压失配和单位电流跨导很小，使得c m o s 运算放大器 的失调电压不为零( 大概为1 5 m v - + 1 5 m v ) ，因此在设计高精密带隙基准源时，必须 要考虑到运算放大器的失调电压。( 2 1 5 ) 式重写如下： 皂i - 鲁ro 一告1 2 r ，2l 。2 7 ( 2 1 8 ) 一种带隙基准电压源的设计 r 1 q 1 图2 4 i k 带隙基准电压源 f i g 2 4 t h ek n j i kb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e 输出的基准电压变为： - - + ：+ 一- + 碍( 1 + 务( 1 + 丧) a - ，一( 1 + 詈) + 吩l n e ( 1 一) 】 ( 2 1 9 ) n 3 2 1 j 2 从式( 2 1 9 ) 可以看出运算放大器的失调电压将会给k u j i k 带隙基准电压带来很大 的误差。假设失调电压相对温度是独立的，( 1 ) ，0 时，负温度系数电压的系数增大， 导致输出电压随温度的增大而减小，即呈现出负温度系数；( 2 ) 。t 0 ，负温度系数电压 的系数减小，导致导致输出电压随温度的增大而增大，即呈现出正温度系数。另外，会 随着温度变化，温度系数为2 0 u v c , 这使得带隙基准源的温度稳定性受到更大的影响。 从式( 2 1 9 ) 可以看出，主要可以通过以下一些办法来减小，对带隙基准源输出 电压的影响：1 、通过版图设计减小，：使运算放大器采用大尺寸器件并仔细选择版图 布局来减小p k ：2 、可以增大来减小正温度系数电压的系数，具体方法是增大 ，：，l ，。：，但由于这些量都要取对数而且受到功耗、版图面积的限制，所以。 的增大也是有限的；3 、增大p k 的系数，如采用两个p n 结的串联的形式可以使。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 得系数增加一倍；4 、不采用运算放大器，采用比例电流镜反馈来实现电流j ，：的比例 关系。 实际上，按照上述方法减小p k 后，带隙基准源输出电压的温度系数仍然不是很理 想，这是因为以上推倒过程中一直把p k 看作是温度的一阶函数，而却是一个很复杂 的温度高阶函数，这样就导致了对p ，雎的补偿不足，从而使输出电压很难达到精密的温 度特性。 从以上的讨论中，我们能看出是带隙基准源一个很重要的参数【1 7 1 ，它的温度特 性在带隙基准源中扮演着很重要的角色，因此下一节将要详细分析的温度特性和精 密补偿。的方法。 2 4 的温度特性 以n p n 双极型器件为例，其基一射结电压可以表示为【l l l ： - 巧l n 等 ( 2 2 0 ) 5 式中y ，一k t q ，k 是波尔兹曼常数，q 是电子电荷，i c 为集电极电流，i s 为饱和 电流，它同器件的结构有关，可表示为： 小警 ( 2 2 1 ) 式中a 为基- 射结面积、n i 为硅的本征载流子浓度、五：为基区中电子扩散常数的平 均有效值、q 。为单位面积基区总掺杂浓度。 利用e i n s t c i n 关系式万一昙万及瓦和 与温度的关系，即： 瓦一c t ” 一e x 卧 式中石为基区中平均电子迁移率，c 、d 、n 是与温度无关的常量， 对温度零度时硅的能隙电压，则，。可表示为： 小”c x 卧 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 为外推到绝 ( 2 2 4 ) 一种带隙基准电压源的设计 式中b 是与温度无关的量。将。对t 取导数，由于l 很可能是温度的函数，为了 简化分析，暂时假设，。保持不变，则； 监i 堡l n 生一生坠v a e - ( 4 - n ) v r - v m( 2 2 5 ) 口r j sj 5 砸 2 上式给出了p ，艇的温度系数，从式中可以看出，它与本身的大小以及温度都有关 系。如果再考虑，c 的温度变化，p k 温度系数的表达式将更为复杂，所以考虑通过别的 方法来研究。的确切表达式。 为了精确分析p k ，必须找出以前使用的。表达式中不精确的原因，加以改进。首 先，一? 的表示式不精确，它的精确表达式应该： 砰e t 3c x p ( 一- d - 叮 - ) 、) ( 2 。2 6 3 7 r 式中口) 为在温度t 时硅的能隙电压，e 是与温度无关的量。 v c - 拍r v o ( o _ l v o 可) t ( k ) 图2 5 能隙电压随绝对温度的变化及其一阶近似 f i g 2 5 t h ec h a n g eo fb a n d g a pv o l t a g ew i t ht e m p e r a t u r ea n d 妇f i 稻t 舢ka p p r o x i m a t i o n 如图2 1 所示，在常温下，可以把口) 简化为随温度变化的线性函数，这是因为 在这个工作范围内比较符合( r ) 的实际变化曲线，所以： 大连理工大学硕士学位论文 ( d 一+ s ，r ( 2 2 7 ) 式中- e ) ，4 ，将上式代入n ? 的精确表达式中，则： 球；一e e x p ( - q s ，k ) t 3e 啾一三笋) ( 2 2 8 ) y f 与厅；常用表达式比较可知，常数d - e e x p ( 一q e ，k ) ，叮) 就是。 但是，并不是唯一的，它会随着变化，而且在低温下随温度变化的非线 性越来越严重，这时用线性函数描述它己经很不精确。同时注意到，s ，也会随着t 变化， 只是在常温下变化很小，才将其近似认为是一个常数，但在低温下变化很大，就不能作 为常数了。这些就是由于以；的不精确而导致p ，雎不精确的原因。 图2 6 随绝对温度的变化 f i g 2 6 t h ec h a n g eo f w i t ha b s o l u t et e m p e r a t u r e 图2 6 表示了p ，艇随绝对温度的变化，现在引用p k 的精确表达式，即： 一种带隙基准电压源的设计 i 专阶号阶叼等h 昙+ 等- n 器 旺z ， 式中叩- 4 一万，将上式在温度r - t 时进行t a y l o r 展开，整理后可得到一个常数项、 一个线性项和一个高阶项之和，即： 1 名e f ) - 昨+ y , t + 厂，( r ) ( 2 3 0 ) 常数项为： 砟。p o + 西一a , ) k r r ( 2 3 1 ) 其中以- d ，线性项系数为： 等卜一t 掣产， s z ， 高阶项可表示为： ，r 口) 。口) 一+ 要【( 一佴) 卜国一啡) 堡 + 伪以，等一叼等h + 了c t h 怒 1 q 3 3 2 5 带隙基准电压源的曲率校正方法 带隙基准源输出电压的矫正，一般是通过一个矫正电压消除或减小p k 温度系数的 影响来实现的呻】，即： p 名口一。口) + 仃) ( 2 3 4 ) 矫正的方法包括线性补偿和高阶补偿，线性补偿可以满足一般精度要求，高阶补偿 主要用于高精度的要求。 2 5 1 线形补偿 如果仃) 是关于温度的线性函数，能够抵消。的线性项，就是线性补偿1 1 9 】，即： 仃) 一( 2 3 5 ) 则： k l e f - 哆+ ，仃) - 形( 2 3 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 2 5 2 高阶补偿 线性补偿后，基准源输出电压中的高阶项始终存在，仍然影响输出电压的精度。如 果能够将其中的高阶项消除，则基准源输出电压的温度稳定性将进一步提高。目前，人 们已经提出了很多行之有效的方法，下面介绍四种常见的方法i ”i ： ( 1 ) 环路法 利用具有不同温度系数( 正、负) 的电流流经p ，雎环路以产生一个非线性电流作为补偿 电流，实现该功能的电路结构图如图2 7 所示。 图2 7 环路补偿的电路结构 f i g 2 7t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo fl o o pc o m p e n s a t i o n 由图中结构可得 k 。警。老h 嚣一笔h 石2 1 7 i r x r 其中 i - l n + l 瞰t + l m i m + k x v k t l 妇r 2 ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 一种带隙基准电压源的设计 月。被用来定义，。，的电阻。从( 2 3 7 ) 式中可看出，。与其自身成对数关系，所 以显示出非线性特性，该补偿方法利用i 。的非线性特性去补偿p ，艇的非线性特性。 由图可得输出基准电压的表达式如下 。+ ，+ k ) 。足一嗜i n i 二瓦i p t a t+ r + 薏墨 ( 2 _ 9 ) 采用这种补偿方法可以得到较高的精度，但电路结构比较复杂。 ( 2 ) 分段线形补偿 图28 所示为产生补偿电流，。的结构示意图 。一 m 3 图2 8 产生，m 的原理图 f i g 2 8t h ep r i n c i p l eo fi 基本工作原理是：流过肘，的电流为与有关的电流，。，在温度较低的范围内， ，。，c j r 啪，因此m ：没有电流通过，m ，工作在非饱和区，其电流大小等于，。，在温 度较高的范围内，腑，) ，估，结果m ，饱和，流过膨。的电流k ，流过m ：的电流等 于这两个电流的差值，该电流经电流镜取出，即为f 。其工作原理可由下式表示； 大连理工大学硕士学位论文 k 。p， r r 一m 所以得： ( 2 4 0 ) z 聒+ 予小 、。 芑： ( 2 4 1 ) 。1 + k + k ) rj 。c ，。 心 用这种温度补偿方法，对温度升高导致，。指数下降所带来的负温度系数有所改 善。 ( 3 ) 利用不同材料电阻的相异温度特性进行曲率校正 由前面的分析可知道，中的有关温度的非线性项为t i n t , 因此可以泰勒展 开为如下形式： 一44 - 4 r + 爿2 r 2 + 4 r 3 + + 4 r “ ( 2 4 2 ) 利用2 个温度系数相异电阻的比值，可以得到与r 有关的高阶项，这样就可以用来 消除p ，雎中的高阶项，达到曲率补偿的目的。核心电路见图2 9 r 1 q o 图2 9 利用不同材料电阻的温度系数进行曲率校正的带隙基准电压源 f i g 2 9t h eb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c eu s i n gd i f f e r e n tt co fd i f f e r e n tr e s i s t a n c et o r e v i s ec u r v a t u r e 一种带隙基准电压源的设计 图2 9 中，足，r 和r ：由p 型注入电阻制成其具有正温度系数jr 3 由高阻多晶 硅制成，其具有负温度系数。显然，可以得到： 一：+ 鲁l n + 鲁l n ( 2 4 3 ) 式中，由于r ：与墨由同一材料制成，具有相同的温度系数，因此其比值与温度无关； 毛与墨采用了不同的材料，因此其比值会随着温度的变化而变化。由予，在0 1 0 0 范围内，可以认为k 。仃一t o ) t t l ，因此可将其比值泰勒展开为下式： r ，( r )马( 瓦) 【1 + 足蝴口一瓦) 】 置口) r 1 ( 毛) 【1 一k 跏牲口- t o ) 一怒郴晰) 】【1 + 嘞) + 口一t o ) 2 】 - 怒【1 + + ) f t o ) + + 。肌) 2 + 酶岍仃一瓦) 3 】 ( 2 4 4 ) 将式( 2 4 4 ) 带入式( 2 4 3 ) ，可得 屹暗+ 器灿肌嵋+ 怒岫【1 + + 坤一t o ) 僻b + k 榔k 蝴) 叮- t o ) 2 + k k 仃一瓦) 3 】 ( 2 4 5 ) 式中，j i ：p 幽噼是p 注入电阻的温度系数，为正值；一k 局叫旧是多晶硅高阻的温度系数， 为负值。由式( 3 2 6 ) 可知调整曼墨以及r ，( 瓦) r ) 可做到完全消去一次项和二次项， 但不能保证更高阶项的完全消除。当然，虽然不能完全消去各高阶项，但是由于不同材料 电阻的正负温度特性，也能够大大削弱这些项所引起的误差。显然，不同材料电阻的温度 系数正负差异越大，那么曲率补偿的效果就越好。 ( 4 ) 指数曲率补偿方法 顾名思义，指数曲率补偿方法是在p ，置e f 叠加一个温度的指数函数来达到消除高次项 的目的。由于指数函数的泰勒展开仍是一个r 的多项式，结合式( 2 4 2 ) ，可以看出，只 要合理地选择参数，不仅能消除二次项，并且能尽可能多地消除其他高次项。核心电路 见图2 1 0 大连理工大学硕士学位论文 1 2 = c 2 * t 场d = 图2 1 0 采用指数曲率补偿方法的带隙基准电压源 f i g 2 1 0 t h eb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ew i t he x p o n e n t i a lc u r v a t u r ec o m p e n s a t i o n 如图2 1 0 所不，2 个电沉源l ，j 2 是p t a t 电流源，因此基准源口可表达如下： - 口) + 叩2 + 而c 2 r t ( 2 4 6 ) 式中，卢是晶体管的电流增益。式f 4 2 7 ) 的最后一项便是q l 的基区电流流经r 所产 生的电压隗就是用他来补偿中的非线性项。其中，f 刁可表达如下： 芦口) 一卢。懿p 蟹) ( 2 4 7 ) 式中，凡和a e 。都是与温度无关的常量a 称为晶体管射区带隙能量衰减因子， 他正比于射区掺杂浓度。由式( 2 4 6 ) ，( 2 4 7 ) 可得： - m 呻+ 警r c x p 等) - 仃) 峨r + k 2 t e x p 等) ( 2 4 8 ) 一种带隙基准电压源的设计 调整墨消去温度的线性项，k ：消去非线性项。先微调k ：使得，的非线性度最小 化即使得一- 7 曲线尽可能接近于一条直线，而后可用最小二乘法拟合成线形式， 再结合温度系数等于零的条件，可定出墨的近似值，通过微调，就可以得到低温度系数 的基准源。 大连理工大学硕士学位论文 3 带隙基准电压源的设计 3 1 设计思路 电源抑制和温度独立性是带隙基准源的重要性能指标，高精密的带隙基准源必须要 在这两方面表现出很好的性能。目前，实现高精密带隙基准源主要会遇到两个难点：( 1 ) 现有的技术只能提高带隙基准源的低频时的电源抑制比，基准源在高频时的电源抑制比 很糟糕，仅有3 0 - 4 0 d b ； ( 2 ) 由第二章的内容可知，对。进行高阶补偿可实现良好的 温度特性，但这却以增加电路结构复杂性和提高成本为代价，性能与成本之间的矛盾很 难解决。 图3 1 带隙基准电压源的实际电路图 t h e a c t u a lc i r c u i td i a g r a mo fb a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c e 一种带隙基准电压源的设计 图3 2 电路的等效结构图 f i g 3 2t h ee q u i v a l e n ts t r u c t u r eo fc i r c u i t 3 2 核心电路 ” 本电路的核心电路是两管式的带隙基准电压源，如图3 3 所示。 如图3 3 所示，q 、q _ ，两管的发射极面积不等，q 0 ，比q k 。的大，其比值为8 ：1 ， 它们的基极连在一起。q l 、q _ ，分别由q 、q _ 。组成的镜像电流源做集电极有源负载， 两管集电极电流相等。但因q k 、q 0 ，的射极面积比不同，所以两管的实际电流密度，。 和， ，也就不等，而且与发射极面积成反比。发射极电流密度不同，两管的圪。也就不 同。它们的。电压之差a 。加在电阻r ：上，p r 艇值由下式求出： 等h 每 ( 3 1 ) 电阻蜀中流过的电流是q 0 。和q l ，的电流之和。两管电流相等，所以流过r 的电流 是尺2 的两倍，流过r 2 的电流，7 为； ，7 一p k r 2 ( 3 2 ) 则： i r 6 - i 7 - p k 岛 ( 3 3 ) t 。马u s “一以惫以急等h 器 c s 大j 壅理工大学硕士学位论文 q p q n v c c q p 6 q n 6 、厂t e f = 图3 3 核心电路 f i g 3 3t h ec o r ec i r c u i t 基准电压值的输出值呈现在q 饥和q _ ，的基极上，它等于q 。的p r 皿与。之和。 一s + - 6 + 2 惫等h 筹 ( s s ) 显然式( 3 5 ) 第一项具有负温漂，第二项具有正温漂，它们之和存在着零温漂的 条件。 3 3 提高电源抑制比电路 传统的带隙基准电压源采用运算放大器来稳定电路，提高电源抑制比，但是运算放 大器高失调的缺陷限制了电源抑制比的进一步提高1 2 l l 。并且当电源电压有频率较高的交 流信号干扰时，放大器的输出会与电源电压有很明显的相位差，导致k 。高频时电源抑 制比很低如图禾4 所示，为了避免放大器的缺陷，本文采用内部负反馈电路来提高p 孟。 在低频的电源抑制比。另外，在电路输出端增加了一个r c 滤波器，用来提高。在高 频的电源抑制比。 一种带隙基准电压源的设计 图3 4 核心电路和提高电源抑制比电路 f i g 3 4 t h ec o r ec i r c u i ta n dt h ec i r c u i tt oi m p r o v ep s r r 3 3 1 负反馈回路 p 8 、r 2 0 、r 9 、r 1 5 、q n 2 、q n i ，n 1 5 、o p 5 共同构成核心电路的反馈回路，用 于提高基准源低频时的电源抑制比。 具体工作原理是这样的：当两管式的带隙基准电压源输出电压偏离平衡值，时， q ，6 和q ，两条支路产生差分电流。假如升高，j 。叫7 j 。邮，导致j 。妒5 升高，c 也随之升高，迫使n 1 5 的漏极电压增高，即p 8 的栅电压增高，从而使，。减小，流过 r 9 、r 1 5 的电流减小，。，也随之减小。 产生差分电流的工作原理如下： 对b 点运用k c l ： 口1 一7 科7 一驯6 墨坞 对于正偏置的三极管： + l e q n l ( 3 6 ) 盔塑三奎兰堡主堂垡丝苎 i c i t 一l n ( 如) q n 7 的发射极面积是q n 6 的n 倍： l 咖1 一n i 蹦6 假定：一，+ a v ，k 6 k ，i x 巧。是平衡时电压，a v 是咋和平衡电压之间的差。 由( 3 6 )