（微电子学与固体电子学专业论文）高精度线性电压变换器设计.pdf

摘要 摘要 在几乎所有应用于电子设备的电源中，线性电压变换器是其基本的电路组成 单元。集成线性电压变换器以其使用简单、价格低廉而成为电子电路中最常用的 电子元器件，特别适用于小功率直流稳压电源，在微处理器、d s p 供电、电池充 电器等领域有着广泛的应用。本文设计了一种高精度线性电压变换器，在2 5 v 7 o v 电压范围内，输出电压精确度可达1 5 ，并具有过温、过流保护功能。 该电路对负载变化的反应非常灵敏，特别适合应用于低压微处理器。 本文完成了电路设计、工艺设计和部分版图。应用电路仿真软件h s p i c e 对 各个功能电路进行了功能仿真及量化模拟，各功能电路的电特性参数均达到或优 于设计所需指标。最后，对整体电路进行了联合仿真，模拟结果表明该电路完成 了设计功能、达到了设计指标。 在电路设计中，作者首先阐述了线性电压变换器的基本原理，给出理论依据。 然后根据功能需要进行了电路的总体结构设计，结合使用条件说明工作过程。再 对电路的高精度运放型电压基准源、主控比较器进行了详细分析，完成了运放型 电压基准源电路和主控比较器电路的设计，并应用h s p i c e 电路仿真软件进行功 能仿真和量化模拟。最后进行了整体电路的联合仿真，得到符合设计要求的结果。 针对整个电路核心单元之一的高精度运放型电压基准源，本文详细分析运算 放大器失调电压对基准源输出电压精度的影响并给出改进方案。另外，作者详细 阐述了一般带隙式电压基准源的工作原理、运放型带隙基准源的工作机理并进行 了结构设计。 在工艺设计中，本文抛弃了传统外延工艺，采用新型b i c m o s 工艺。并给 出简明工艺流程和版图设计规则，完成了部分功能电路的版图。 关键词：电压变换器线性运放型基准源b i c m o s 工艺 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t t h ei n t e g r a t e dl i n e a rv o l t a g er e g u l a t o ri st h eb a s i cb u i l d i n gb l o c ko fn e a r l y e v e r yp o w e rs u p p l y u s e di ne l e c t r o n i c s t h ei cl i n e a rr e g u l a t o ri ss oe a s yt ou s et h a ti t i s v i r t u a l l yf o o l p r o o f , a n d s o i n e x p e n s i v e t h a ti ti s u s u a l l yo n e o ft h e c h e a p e s t c o m p o n e n t si n a ne l e c t r o n i ca s s e m b l y ，e s p e c i a l l yi nl o wp o w e rd cs t e a d yv o l t a g e p o w e rs u p p l i e s ，s u c ha sm i c r o p r o c e s s o rp o w e rs u p p l i e s ，p o w e rs u p p l i e s f o rd s p s ， b a k e r yc h a r g e s t h eo b j e c to f t h i sp a p e ri st od e s i g nah i g hp r e c i s i o nl i n e a rv o l t a g e r e g u l a t o r i to p e r a t e sf r o m2 5 v t o7 0 vo fi n p u ts u p p l yv o l t a g e ，a n dt h eo u t p l u t v o l t a g ea c c u r a c yr e a c h e s 1 5 t h el i n e a rv o l t a g er e g u l a t o rr e s p o n d sv e r yf a s tt o s t e pc h a n g e s i nl o a dw h i c hm a k e si ts u i t a b l ef o rl o wv o l t a g e m i c r o p r o c e s s o r a p p l i c a t i o n s c i r c u i t d e s i g n i n g ，p r o c e s sd e s i g n i n ga n dp a r t o fl a y o u th a sb e e nf i n i s h e d a p p l y i n g t h ec i r c u i ts i m u l a t i o ns o f to fh s p i c e ，s i m u l a t i o no ft h ew h o l ec i r c u i t i n d i c a t e st h a tt h ei ch a sa c h i e v e do n re x p e c t a t i o ni n c l u d i n gf u n c t i o na n dp a r a m e t e r t a r g e t d u r i n gc i r c u i td e s i g n i n g ，t h eb a s i ct h e o r yo fl i n e a rv o l t a g er e g u l a t o ri sg i v e n f i r s tt h e nt h e g e n e r a l s t r u c t u r eo ft h ei ci s d e s i g n e d b a s e do ni t sf u n c t i o n r e q u i r e m e n t c o m b i n e dw i t hi t sw o r kc o n d i t i o n ，t h ew o r k i n g c o u r s ei ss h o w e d a n d t h e nd e s i g n st h et y p i c a lc i r c u i t ss u c ha so p e r a t i o n a lv o l t a g er e f e r e n c e ，m a i nc o n t r o l e o m p a r a t o r a p p l y i n gh s p i c e ，s i m u l a t i o n so f t h et w oc i r c u i t si n d i c a t et h a tt h ei ch a s a c h i e v e dt h e i rf i m c t i o no b j e c ta n dn u m e r i co b j e c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o n a lc i r c u i t s ，t h eh i 曲a c c u r a c yv o l t a g e r e f e r e n c ei sa n a l y z e di nd e t a i l t h eb a s i cw o r k i n gt h e o r ya n ds t r u c t u r eo ft h eg e n e r a l b a n d g a pv o l t a g er e f e r e n c ei se x p a t i a t e di nf o l l o w i n gs e c t i o n s a sw e l lk n o w n ，t h e i n p u to f f s e tv o l t a g eo ft h eo pa m pi n t r o d u c e s e r r o ri nt h eo u t p u tv o l t a g e ，s e v e r a l m e t h o d sa r ee m p l o y e dt ol o w e rt h ee f f e c to f i n p u t o t i s e tv o l t a g e i no r d e rt or e a l i z et h el i n e a r v o l t a g er e g u l a t o ri n t e g r a t e dc i r c u i t ，a n o v e l b i c m o s p r o c e s si si n t r o d u c e d a n dt h ec o n v e n t i o n a le p i t a x i a lp r o c e s si sa b a n d o n e d t h es i m p l i f i e dp r o c e s sf l o wa n dl a y o u td e s i g nr u l ei sg i v e n ，a n dt h el a y o u to fs o m e f u n c t i o n a lc i r c u i t si sa c c o m p l i s h e d k e y w o r d s ：v o l t a g er e g u l a t o r , l i n e a r , o pa m pr e f e r e n c e ，b i c m o sp r o c e s s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：金塞壅日期： 驴；年f 月王 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 趣 日期：口；年朋妒日 高精度线性电压变换器设计 第一章引言 电源是一切电子设备的心脏，它广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施 及日常生活等各个方面，是电子设备和机电设备的基础，它与国民经济各个部门 紧密相关，在工农业生产中应用广泛。一般将提供电能的设备称为电源，可分成 三类；( 1 ) 把其他能量转换成电能，例如水力、火力、风力及核能发电等，一般 称这种电源为一次电源( 即供电电源，俗称电网或市电) 。( 2 ) 在电能传输过程中， 在供电电源与负载之间对电能进行转换或稳定处理，一般称这种电源为二次电源 ( 即对已有的电源进行控制) 。( 3 ) 平时把能量以某种形式储存起来，使用时再变 成电能供给负载，典型的器件就是人们常见的各种蓄电池。本书叙述的主要是二 次电源，即把输入电源( 由电网供电等) 变换成在电压、电流、频率、波形及在稳 定性、可靠性( 合电磁兼容、绝缘散热、不间断电源、智能监控) 等方面符合要求 的电能供给负载，这是目前应用最广泛的电源技术领域，主要研究如何利用电子 技术对电功率进行转换及控制，它广泛运用电磁技术、电子技术、计算机技术和 材料技术等学料理论，具有较强的综合性，在工程上一般称此领域的技术为电源 技术。这种电源的工作频率由低频( 几赫) 到高频( 兆赫级) ，输出电压从几伏到几 十千伏，输出电流从微安级到安培级，工作方式有线性放大和开关工作两种状态。 随着科学技术的发展，对电源技术的要求越来越高，规格品种越来越多，技 术难度越来越大，涉及的学术领域也越来越广。就其技术本身而言，可分成三类： ( 1 ) 直流稳定电源，输入电源可以是交流电或直流电，可以是单相交流或三 相交流，输出量是直流电( 含稳压或稳流) ，包括线性控制和开关控制两种。 ( 2 ) 交流稳定电源，输入电源多为单相或三相交流电，输出电源仍为交流电 ( 单相或三相，当输入量为直流电时称为逆变器) ，舍稳压、稳流、稳频、不间断 供电等类型。 ( 3 ) 特种电源( 或称工业电源) ，例如电镀、电解、电焊、激光、高压等类型 电源为交流市电，输出量有直流、交流或脉冲形式。 直流稳定电源包括线性控制型和开关控制型两种方式。线性电源的主要特点 是功率器件工作在放大状态，具有稳定度高、可靠性好、成本较低等优点，但有 效率低、笨重、体积较大等缺点，适用于中、小功率和对电性能指标要求比较高 的场合。例如在科研和教学实验室、计量室作为可调电源或基准电源使用。近十 电子科技大学硕士论文 多年来，多制成集成稳压模块，品种规格较多，便于使用，价格便宜，从而受到 欢迎。 开关电源的主要特点是功率器件工作在开关状态，由于开关频率较高( 几十 至几百千赫) ，甩掉了工频变压器及低频滤波电感器，从而达到减小整机体积重 量、提高工作效率的目的。近十年来由于功率半导体器件的迅速发展，使开关电 源的应用越来越广泛。我国在6 0 年代开始研制，至今在开关频率和单机功率等 方面都获得了较快的发展。输入电源主要为直流和工频交流，输出多为直流，高 频变换器为中间环节，有多种电路形式。控制方式有脉宽调制式( p w m ) 、脉频调 制式( p f m ) 和谐振式等。这种电源多用于计算机、程控电话交换机、通信设备及 电子仪器等。 般情况下，电源技术的主要内容包括以下几个部分：电力电子器件、功率 变换电路、电源整机及系统等。从电能变换功能来看，功率变换电路分为以下四 类： ( 1 ) 将交流电变为直流电，即a c d c 变换。实现这功能的变换电路，一般 称为整流电路。 ( 2 ) 将直流电变为交流电，即d c a c 变换。实现这一功能的变换电路，一般 称为逆变电路。 ( 3 ) 将一种直流电变为另一种直流电，即d c d c 变换。通过这种变换实现直 流电压( 电流) 的幅值或极性的改变，一般称为直流一直流变换器。 ( 4 ) 将一种交流电变为另一种交流电，即a c a c 变换。通过这种变换实现交 流电压( 电流) 、频率的变换，前者为交流调压电路，后者为变频电路，有时也 需要改变相数。 本章将简要介绍广泛应用于直流稳定电源的线性电压直流一直流变换器的发 展现状、分类及其应用。 1 1 高精度线性电压变换器的发展现状及其分类 当今，电子产品已普及到工作与生活的各个方面，其性能价格比愈来愈高， 功能愈来愈强，供电的电源电路在整机电路中是相当重要的。电源电路的性能良 好与否直接影响着整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子技术的飞速 发展，电源技术也得到了很大的发展，它从过去的不太复杂的电子电路变为今日 2 高精度线性电压变换器设计 的具有较强功能的功能模块。电压稳定的方式，由传统的线性稳定发展到今天的 非线性稳定，电源电路也由简单变得复杂，电源技术正从过去依附其他电子设备 的状态，逐渐演变成为一个独立学科分支。【2 1 线性电压变换器的主要特点是功率器件工作在放大状态，具有稳定度高、可 靠性好、成本较低等优点，但有效率低、笨重、体积较大等缺点，适于中、小功 率和对电性能指标要求比较高的场合。例如在科研和教学实验室、计量室作为可 调电源或基准电源使用。近年来，多制成集成稳压模块，品种规格较多，便于使 用，价格便宜，从而受到欢迎。 根据线性电压变换器导通元件( p a s se l e m e n t ) 结构的不同，线性电压变换 器可分为三类： ( 1 ) 标准的( n p n 达林顿) 线性电压变换器； ( 2 ) 低压降( l d o ) 线性电压变换器； ( 3 ) 准l d o 线性电压变换器； 上述三类线性电压变换器最主要的差别是电压降( d r o p o u t ) 的不同。所谓 电压降是指保持线性电压变换器正常工作而在变换器上所需的最小电压差。线性 电压变换器设计的关键之处是在最小的输入电压下，使变换器正常工作而消耗在 内部电路上的功耗尽可能少、效率更高。在上述三类线性电压变换器中，低压降 线性电压变换器所需压降最小、效率最高。而标准的( n p n 达林顿) 线性电压 变换器所需压降最大，因而其效率最低。本文设计的正是在三类线性电压变换器 中所需压降最小、效率最高的低压降( l d o ) 线性电压变换器。【3 】 1 2 线性电压变换器的应用 在几乎所有应用于电子设备的电源中，线性电压变换器是其基本的电路组成 单元。集成线性电压变换器以其使用简单、价格低廉而成为电子电路中最常用的 电子元器件。下面是线性电压变换器在电源电路中的典型应用电路。 电子科技大学硕士论文 v c ! j _ j t l o a d _ l ：0 ， 1 nv o l “ r p 。f 。i h 弘- l n 忑馏“粗 e d 色e r r o r 日8 b q 堕s 搿宁c m 。 阽r l 丁c i e l 山m = 1【”一r 。l “2 1 “。 厂 g n d 护_ j g d 1 3 本文的工作 图l 一1线性电压变换器的典型应用电路 本文的主要工作是设计一种低压降线性电压变换器，具有宽的输入电压范围 ( + 2 5 v + 7 0 v ) ，较低的电压降，在负载电流为8 0 m a 时，线性电压变换器上典 型的电压降为2 4 m v ，负载电流达到8 0 0 m a 时，其典型电压降为2 4 0 m v 。该低 压降线性电压变换器对负载变化的反应非常灵敏，特别适用于低电压微处理器。 本设计采用c m o s 工艺，使得变换器工作时在其上的压降很低。 第一章主要是在查阅文献资料的基础上对论文所涉及到的主要相关 学科和技术进行概略性的介绍，从而对我们的研究工作有一 个总体的概念； 第二章对整体电路进行结构设计，划分各个模块电路，并详细叙述 整体电路的工作过程及各个模块电路的功能、工作过程； 第三章 对基准源和主控比较器进行设计。采用电路仿真软件h s p i c e 仿真分析基准源和主控比较器电路，并进行电路的优化和元 器件参数的调整，使基准源和主控比较器电路的电特性参数 达到设计要求； 第四章进行工艺和版图设计，该电路采用b i c m o s 工艺来实现，给 出了工艺流程，僵由于时间关系为能完成全部版图设计工作， 对其中部分功能单元版图进行了设计； 第五章总结该电路的设计工作。 4 高精度线性电压变换器设计 第二章电路工作原理与设计 线性电压变换器电路技术比较成熟，已有大量集成化的线性电压变换器模块 产品，使得线性稳压电源电路更为简洁，使用更为方便。线性电压变换器的调整 管工作在线性放大状态，为了保证输出电压有足够的稳定范围，调整管上必须有 一定余量的电压降，这就使得整个线性电压变换器的功耗比较大、工作效率较低。 为了减小线性电压变换器的功耗，提高其工作效率，从而设计了低压降线性电压 变换器。本章首先分析低压降线性电压变换器的工作原理，然后介绍与之相关的 些基本概念。 2 1 工作原理 线性电压变换器实际上等效为一个恒压源，当负载发生变化时，通过调整内 部线性电阻的阻值，而保持输出电压恒定。其等效示意图如下： v i n r i n r l o a d 图2 - 1 线性电压变换器等效示意图 在图2 1 中，内部电阻r i n 必须远远小于外部负载电阻r l o a d ( r f n ) 时，电压比较器输出高电平，s w l 关断，f 。稳定在1 2 1 6 v ：当 w 1 2 1 6 v ( 即 8 0 0 m a ，也即2 口l 时，o v e r i 输出电平较低，促使c o n t r o l 升高以达到 截止功率管的作用。同时，c o n t r o l 升高又会使：降低，这种负反馈作用使 得：保持在。附近，最终使电路输出电流不超过规定值。 1 2 高精度线性电压变换器设计 2 3 5 过温保护 本电路是功率集成电路，有功耗和散热的问题。硅片上设计的结温范围是 一3 0 + 1 2 5 ，最高工作温度为+ 1 6 5 ，为了保证这一温度范围，使它能长期 工作在高温下而不至于损坏，过热保护电路必须满足如下功能：1 、当芯片温度 超过+ 1 6 5 。c 时，保护电路都要自动将功率通路切断，直到温度回到温度安全区内。 2 、电路必须能避免在关断温度附近产生热振荡，及时去掉导致过热的因素。对 于e u l 7 9 6 1 芯片，过热保护电路设计了温度滞回功能，滞回温度是1 0 。也就 是说，如果电路发生热关断，那么温度要降1 氏n + 1 6 5 ，电路才消除热关断状态， 这样避免了热振荡。 基准源提供偏置电压p 0 。，和。：，为过温保护电路中的差分放大器提供偏 置。受温度影响的v i n i ( 采样值) 与不受温度影响的v i n 2 ( 基准值) 送入比较 器比较，并经过信号整形，输出o v e r t 信号。当芯片温度升高到关断温度，保 护电路起作用，产生的高电平信号经过整形输到n m o s 管的栅极上，从而这个 管子导通，基准信号。被拉的很低：这时候，采样值就很容易高于基准值， 左图所示的同相比较器输出高电平，关断了p m o s 调整管，不能对，充电， 从而切断了功率通路，等过热状态消除后，电路重新正常工作。 电子科技大学硕士论文 第三章典型功能电路设计 3 1 高精度基准源设计 模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量，它与电源和 工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。在本章中，我们主要讨论c m o s 技术中高精度基准源的设计。首先，研究与电源无关的偏置电路。接着，阐述与 温度无关的基准，研究诸如失调电压的影响等问题。最后，对实际基准源电路进 行h s p i c e 仿真、并讨论分析。 3 1 1 电源稳定性分析 通常，我们使用的偏置电流和电流镜都隐含地假设可以得到一个“理想的” 基准电流。分析普通的电流源，如下面两图所示，只要调整m 1 和m 2 的参数，就 能按设计要求得到相应的，0 。r 值。 1 0 0 i r e 日 6 图3 - 1 受电源影响的电流镜图3 - 2 与电源无关的电流镜 图3 1 中，电流镜通过v d d 和m 1 之间接的电阻r 产生参考电流，很显然： 协击 ( 3 _ 1 ) 1 4 高精度线性电压变换器设计 根据电流镜电流关系式可得： ，o u t = 忐糌 c s z ， 从公式( 3 - 2 ) 看出，s o 。，受电源电压。的变化影响很大，这是我们在设 计中不希望有的。为了降低电流对电源变化的敏感，我们假设电路工作在自偏置 状态，这样，。就可以不受的影响。图3 - 2 给出了这种电路结构，由于两个 p m o s 管的尺寸相同决定了，w = ，d u r ，因此我们得到p 击l = p 岳2 + l m r ，即： ( 3 3 ) 对( 3 - 3 ) 整理得到： 赢。( ，一斟k 且 。q 所以有： 和南。* 去) 2 咱 这样，我们得到了一个与电源无关，而只与工艺参数及温度有关的电流。 3 1 2 温度稳定性分析 与温度关系很小的电压或电流基准被证实在许多模拟集成电路中是必不可 少的。值得注意的是，因为大多数i 艺参数是随着温度而变化的，所以如果一个 基准是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。 如何产生一个对温度变化保持恒定的量? 假设将两个具有相反温度系数 ( t c s ) 的量以适当的权重相加，那么结果就会显示出零温度系数。例如，对于 随温度变化向相反方向变化的电压v 1 和v 2 来说，我们选取a 1 和a 2 使得 a i a u o t + 4 ：a 心o t = o ，这样就得到了具有零温度系数的电压基准， = 吼u + e 1 2 。 1 5 电子科技大学硕士论文 所以，我们必须识别具有正温度系数和负温度系数的两种电压。在半导体工 艺的各种不同器件参数中，双极性晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性， 并且具有能提供正温度系数和负温度系数的、严格定义的量。尽管m o s 器件的 许多参数已被考虑用于基准产生p ，引，但双极电路还是形成了这类电路的核心。 3 1 2 1 负温度系数电压 双檄晶体曾的基檄一发射檄电压，或者史一般地说，p n 结二极管的正向压降， 具有负温度系数。首先根据容易得到的量推出温度系数的表达式。 对于一个双极器件， 我们可以写出= ，se x p ( g 。) ，其中，= k t q ， 饱和电流i st 比5 = u k t n ? ，其中“为少数载流子的迁移率，n ，为硅的本征载流子 浓度。这些参数与温度的关系可以表示为“。t ，其中m 一一3 2 ，并且 n ? 。ct 3e x p - e 。( 7 1 ) ，其中e ；m 1 1 2 e v ，为硅的带隙能量。所以 妒竹4 飞x p 鲁( 3 - 6 ) 其中b 是一个比例系数。写出= j n ( 1 。1 。) ，就可以计算基极一发射极电压 的温度系数了。在对t 取导数时，k 也是温度的函数。为了简化分析，暂时 假设保持不变，则 簪= 鲁- 哮一丢等 ， a ra r ，。，。a r 。 由式( 3 - 6 ) ，有 等圳。+ 矽唧鲁懈4 鲁知 踟 所以， i v r 而o i s - ( 4 圳等+ 鲁诈 9 ) 由式( 3 7 ) 和式( 3 9 ) 可得： 1 6 高精度线性电压变换器设计 型生：生l n 生 8 1ti s ( 4 + 肼) 争一熹 垡二竺型生二垦! ! 丁 ( 3 - 1 0 ) 等式( 3 1 0 ) 给出了在给定温度t 下基极一发射极电压的温度系数，从中可以看出， 它与本身的大小有关。当e 一7 5 0 m v ，t = 3 0 0 k 时，o r b o t 一1 5 m v k 。 从式( 3 1 0 ) 可看出，。的温度系数本身与温度有关，如果正温度系数的量 表现出一个固定的温度系数，那么在恒定基准的产生电路中就会产生误差。 3 1 2 2 正温度系数电压 如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极发射极 电压的差值就与绝对温度成正比【5 1 。 “蕊 图3 - 3 正温度系数电压产生电路 如图3 0 所示，如果两个同样的晶体管( i 。= i s ：) 偏置的集电极电流分别为 n 厶和，。，并忽略它们的基极电流，那么 = 5 l 一e 2 ：诈i n 堕一 i n 立 一 s 1舳 = 巧l n n “ ( 3 - 1 1 1 1 7 电子科技大学硕士论文 这样，。的差值就表现出正温度系数 竺堕：k i 。 a r g 3 1 2 3p t a t 电流的产生 r 3 - 1 2 ) 在设计带隙电路时，常常要用到一种与绝对温度成比例的电流，称之为 p t a t ( p r o p o r t i o n a lt oa b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 电流。在许多应用中，可以 用图3 4 所示的电路来产生p t a t 电流“3 。 图3 4p t a t 电流产生电路 a 1 殴足m l 、m z 芹口m 3 、m 4 是利l 刊的首于对，则召d i2 d 2 ，这样就保证= 即有： 口= e 2 + r ，。2 ( 3 1 3 ) 所咀 i d i ：= 等 = 扣n 等圳n 警， 1 8 高精度线性电压变换器设计 如果q 1 、q 2 参数一致，则有i n = ，。：，那么( 3 - 1 3 ) 可进一步简化为 3 1 3 运放型带隙基准 1 0 l = ，。2 = 生r l n ( 3 - 1 5 ) 利用上述得到的正、负温度系数电压，可设计出接近零温度系数的基准f 7 】o 由”= a i 。+ 口：( 巧l n n ) ，其中l n n 是两个工作在不同电流密度下的双极晶 体管的基极一发射极电压的差值，室温下a 。o t 。一1 5 m v k ，而 a 吩o t+ o 0 8 7 m v k ，可以令 a 1 = 1，选择a 2l n n使得 ( d 2l n n ) ( 0 0 8 7 m v k = 1 5 研矿k ，也就是，a 2i n n 1 7 2 ，表明零温度系数的基准 为 玉一e + 1 7 2 ( 3 一1 6 ) 结合本电路设计的实际情况，我们采用如下图所示运放型带隙基准电压源： 图3 - 5 运放型带隙基准源 1 9 电子科技大学硕士论文 基准源的等效架构图如图3 5 所示，由于运放的反馈作用，图示x 和y 点电 压相等，三极管q l 和q 2 射基结电压差就降落在电阻r 0 上。流过电阻r 0 的电流 映射到输出端，产生基准电压。流过电阻r o 的电流由两只三极管射基结电压差 所产生，故该电流的温度系数与电阻r o 的温度系数符号相反，映射到输出后， 实际上流过r 1 和q 2 的电流温度系数符号和电阻的温度系数符号相反。众所周知， 电阻的温度系数和三极管射基结的温度系数相反，故通过调整电阻r 1 的阻值， 理论上可使输出电压的温度系数为零，即输出电压不随温度而变化。 3 1 4 运放型带隙基准源改进 在运放型带隙基准源中，由于不对称性，运放会受到输入“输入失调”的影 响。所谓失调，即是当运放输入为零时，其输出电压并不为零。 + 图3 - 6 基准电压中运放失调电压的影响 如上图所示，这种影响被量化为p 矗。一。2 + 马i c 2 ( 如果a 1 很大) 和 v o ，= 2 + ( r ，+ r 2 ) ，c 2 ，则： 。：+ ( 坞+ r 2 ) 监鼍 堡( 3 - 1 7 ) = 2 + ( 1 + 詈) ( l n n 一) ( 3 1 8 ) 尽管存在失调电压，式中我们依然假设了i 。，mi c ：。在这，失调电压被放大了 l + r ，他，倍，在。，中引入了误差。更重要的是，本身随温度而变化，因此 增大了输出电压的温度系数。 2 0 高精度线性电压变换器设计 由式3 - 1 8 可看出，要减小失调电压对运放输出的影响，应在保持输出不变 的条件下，增大。：和i n 项的值，从而减小运放失调电压对输出的影响p j 。 首先，从版图上来说，运放应该采用大尺寸器件并仔细选择版图的布局使得运放 的失调电压最小。其次，如图3 7 所示，q 1 和q 2 的集电极电流比率可以置为m ， 使得。= 巧l n ( m n ) 。第三，电路的每个分支可以采用两个p n 结串联的形式使 ，增加一倍。图3 7 给出了使用后两种方法的实现电路。 r 1 = i q 2 q 1 图3 - 7 运放失调影响的减小 在上图中，胄，和r ：的比例系数为m ，使得i 。= m 1 2 。忽略基极电流并假定 a 1 很大，我们可以得到e 。+ 矿矗：一= 。，+ 。+ 玛1 2 和 v o 【口= f 么3 + i 么4 + ( r 3 + r 2 ) ，2 ，由此可得 g o u t + 。+ ( r 3 + r 2 ) 型孥监 ( 3 _ 1 9 ) = 2 + ( 1 + 鲁) 2 巧1 n ( 叫一 ( 3 - 2 0 ) 这样，失调电压的影响通过增大方括号中第一项的值而减小了。 2 1 电子科技大学硕士论文 但是图3 7 所示的电路实现在标准c m o s 工艺中是不可行的，因为q ：和包 的集电极没有接地。为了和标准c m o s 工艺兼容，我们将二极管串联连接改成 如图3 - 8 所示连接，将其中一个二极管变为射极跟随器。但我们还必须保证两个 晶体管的偏置电流具有相同的温度特性。因此，用p m o s 电流源而不是电阻来 给晶体管提供偏置。 v d d v b 2 v b e 图3 - 8 ( a ) 串联二极管转变为集电极接地结构；( b ) p k l o s 电流源偏置的( a ) 图电路 改进后，总的电路结构如图3 - 9 所示。其中，运放调节p m o s 管的栅极电压 以确保和相等。该电路中运放没有阻性负载，但p m o s 器件的失配和沟道 长度调制效应都会在输出引入误差。 卜岢， 高精度线性电压变换器设计 v d d 图3 9 包含两个基极一射极电压的基准源 3 1 5 运放型带隙基准源仿真与分析 应用h s p i c e 【13 1 ，对运放型基准电压源进行仿真。在s d ( 使能信号) 为低电平， 基准源工作，应用典型器件模型对基准源进行瞬态分析结果如下。图中，s o s 7 为瞬态分析的实验条件。 表识s o s 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 8 输入电压( v ) 2 52 52 53 33 33 3555 i 实验温度( ) - 3 02 51 2 5- 3 02 51 2 53 02 51 2 5 表3 一l 瞬态分析实验条件 由图3 1 0 运放型基准电压源瞬态分析结果可看出，在应用典型模型下，基 准源输出电压大致为1 2 1 6 v ，最坏条件( 对应s 2 ，输入电压为2 5 v ，实验温度 为1 2 5 ) 下，基准源输出电压1 2 0 8 4 v ，满足设计的要求。 电子科技大学硕士论文 ?llli。；lll ! n _ ；。 ll ： s 3 ； 船 ： 国 ： z 萝t z 1 z 一 、 ； 暑 、s 0 f s s 2 c ” ；s o ；j；*j ：；二。；*i ；二，*j j 二。揣j ；二j 1 i n e ( i b l lc t i m e 、 图3 一l o 运放型基准源瞬态分析 为了使基准源在一定输入电压范围内正常工作，且当正常工作时，输出电压 恒定，就需要对基准源电路进行直流( d c ) 分析。对输入电压从0 v 到5 5 v 进 行直流扫描，其模拟结果如图3 1 1 所示。其中，s o 表示在实验温度为一3 0 条件 下的d c 分析波形，s 1 表示在实验温度为2 5 条件下的d c 分析结果，s 2 表示 在实验温度为1 2 5 条件下的d c 分析波形。 i - 缸 矿 ， 厂 么 虬泓 s 2 、。 图3 - 1 1 运放型基准源d c 分析 由图3 1 l 可以看出，应用典型模型条件下，在输入电压大于1 6 v 时，基准 iv女fi 高精度线性电压变换器设计 源输出电压大致保持1 2 1 6 v ，基准源对电源变化的灵敏度很低，满足基准源设 计的需要。 电子电路中，各元器件受温度的影响较大。要设计出实际需要的基准源，不 仅需要基准源对电源电压的灵敏度较低，还要求基准源对温度的灵敏度低，这就 需要对电路进行温度分析。应用电路分析软件h s p i c e ，在典型模型条件下，对电 路在三种输入电压下进行温度分析，模拟结果如图3 1 2 所示。其中s o 表示在输 入电压为5 v 时的仿真波形，s 1 表示在输入电压为3 3 v 时的模拟结果，s 2 表示 在输入电压为2 5 v 时的仿真波形。 ，一一名 卜、一、 ： ： 、 1 、， ： 、 - y “ ， 、 卜、 s 1 、 、 、 、 k 、 、h 、 、 、 、 卜、 刁o- 2 。1 。o邶卸 加t n 毒：mc 器c 陇b m8 4阳 。呻1 1 0 。却 。那 图3 1 2 运放型基准源温度特性 由图3 1 2 可以看出，应用典型模型条件下，输出电压最高为1 2 1 6 2 v ，输出 电压最低为1 2 0 8 4 v 。这样，我们用相对温度系数( t c f ) 来表征基准电压与温 度的关系。 弼，= 志孥 b z t ， ：上1 2 1 6 2 - 1 2 0 8 4 1 0 6 1 2 t 6 1 2 5 ( - 3 0 ) 4 1 ( p p m ) 所以，该运放型基准电压源满足设计的需要。 2 5 | 罨 ；号 删 扪 肌 i 亏 棚 埘 e*； 电子科技大学硕士论文 3 2 主控比较器设计 在线性电压变换器中，主控比较器将从变换器输出端采集来的电压信号， 和基准电压。进行比较。比较器的输出去控制调整元件( 功率管) ，使其导通 电阻发生变化，从而调节在功率管上的电压降，使整个电路的输出电压保持恒定。 3 2 1 原理分析 3 2 1 1 原理框图 本模块电路主体是一级比较器。输入信号为输出的采样电压，为 基准源提供的基准电压( 1 2 1 6 v ) ，当大于。，输出c o n t r o l 为高电平 当小于，输出c o n t r o l 为低电平；同时，过流保护电路过来的o v e r i 控制一上拉管，如o v e r l 为低电平，则c o n t r o l 也被拉高；比较器和o v e r i 共 同控制c o n t r o l 。 基准源为本电路提供偏置电压。州s d 为使能信号，为高电平时，电路处 于关断模式；为低电平时，电路处于正常模式。其等效架构图如下所示： s d 图3 - 1 3 主控比较器等效架构图 谢i _ l wmb!帅 窜功 高精度线性电压变换器设计 3 2 1 2 比较器基本原理分析 下图是一个用p 沟m o s 器件做差分输入对的c m o s 差分放大器 图3 - 1 4 采用p 沟输入器件的c m o s 差分放大器 假设p 3 7