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文档简介
第十一章模拟集成电路基础1.研究模拟电路的重要性2012/11/27大自然计算机世界西安理工大学电子工程系ADC自然界信号的处理010111101CPUDSP010ADC
111101滤波器2012/11/27自然界信号的处理表征像素值的量是模拟的值图像成像的过程光照后感光点产生光电流电流非常小噪声电流放大
滤除这些操作都必须在A/D转化之前进行模拟运算宁梅数字通信有损耗电缆VinVoutt2.模拟集成电路的基本元素电阻电容二极管三极管双极型晶体管MOS晶体管与数字集成电路相比较,模拟集成电路在使用元件和电路结构等方面均有自身的特点。采用标准工艺制造出来的集成电路中的元器件,与分立器件相比有它的一些特点。可归纳如下:①单个元器件的精度不是很高,受温度影响也较大,但在同一硅片上用相同的工艺制造出来的元器件性能比较一致,或者说元件的对称性较好。②由于电路中的元器件都集成在同一硅片上,相互间靠得非常近,温度差别不大,同一类元器件温度特性也基本一致,所以温度对称性较好。③电阻的阻值范围有一定限制,一般在几十欧到几十千欧之间,太高或太低都不易制造。④电容一般不超过100pF,大电容不易制造,至于电感也局限于极小的数值(μH以下),一般尽量避免使用。模拟集成电路的特点MOSFET的单管结构及工作原理单极器件:只有一种载流子参与导电p
substrateoxidegaten+
n+LLwoxideMOS管的电流电压特性线性工作区饱和工作区VDS[V]IDS[mA]IDS[mA]VGS[V]VDS=VGS-VTVGSVT截止区VGS
Vt
,VDS
VGS
VT
VovMOS管的大信号特性饱和区:2DSovDSTGSDI2
((1
V
))
k
'
W
V2
L
V
)
(1
V
k
'
W
(V2
L线性区:VGS
Vt
,VDS
VGS
VT2
]DST
DSD
GS2
LI
k
'
W
[2(V
V
)V
V截止区(亚阈值区):VGS
VtTGSD2
L
V
)]I
k
'
W
exp[
[2(Voxoxnn
oxtk
'
C
、、1年苛长ALILDSk'r,ID==——(VGS
-Vr丫(l+_习D2L/4
1oc—oc—2DS
L
L道长K
yy2L
D
S
)
=——
V01
'2(l+I
D-L;
-
I
L
=
L,L1VosMOS管在数字电路和模拟电路中的区别数字电路VGVD开关电压的大小可以改变电流电流的大小驱动能力和开关速度输出量只有高电平或是低电平模拟电路VGVD不同的电压,电流大小不同电流的大小参与实际运算输出量是续的模拟量IDS模拟集成电路中的MOS晶体管多工作在饱和区MOS晶体管漏极电流与栅极电压的关系2TD
GSI
(V
V
)22TGSDV
)2I
(VVINVinIDSVA
VBVCIAVGSIBIC1.不考虑沟道长度调制效应和体效应MOSFET的小信号模型(饱和区)ID非饱和区 饱和区VG)22DSoxGSTHIL
1
CW
(V
VVDMOS管的大信号特性MOS管的小信号模型(饱和区)2.
考虑沟道长度调制效应DSI
K
(V
V
)2
(1
V
)n
GS
THDSMOS管的小信号模型(饱和区)2
LID
ID
/
VDS
nCox
W
(V
IDGS
V2TH
)
ro
VDS
1
1
13.考虑衬底偏置效应MOS管的小信号模型(饱和区)VTH
VTH0
2F
VSB
2F
,
2qsiNsubCox衬底偏压VBS<0时,阈值电压增大VBSL
VTH
VBS)gmb
ID
nCox
W
(VGS
VTHgmb
gm
gm2 2F
VSB,
i
i
i
i
i
i
'`,
已l)
l
i
i91_]S
O
II\I-d
c」大信号分析与小信号分析·大信号分析:从电流—电压基本方程进行分析可以提供电路的非线性特性从其斜率也可以得到增益分析过程很复杂,分析结果不能突出主要的设计参数对性能的影响信号摆幅与偏置相比,具有足够大的值,对晶体管的直流作点的影响不可忽略时必须使用大信号分析·小信号分析:信号摆幅与偏置相比很小,对晶体管的直流工作点的影响可忽略;使用小信号等效电路进行分析需要确定直流工作点不能分析电路的非线性特性§2.2
双极晶体管的基本工作原理P-SiN-SiIV
VI
Iso
(eVT
1)n
PSOL
LI
Aq(
DnnP
0
DP
Pn0
)A:结面积,D:扩散系数,L:扩散长度,pn0,np0:平衡少子热电压.T=300K,约为26mv正方向
VI(mA)ISOsoI
I
(e
VT
1)V一结两层二极管(单结晶体管)VDI
Iso
(e
VT
1)+-VD正向偏置-+反向偏置二极管的等效电路模型实际双极晶体管的结构由两个相距很近的PN结组成:发射区集电区基区发射结收集结发射极集电极基极基区宽度远远小于少子扩散长度输入端口输出端口输入端口输出端口输入端口输出端口e
IEIEb
IBb
IBIC
cICceeCEbCBcCCIC
IBIC
IE
IE
IB
(1)BJT的三种组态共发射极的直流特性曲线三个区域:饱和区放大区截止区VCE[V]246810IC[mA]0
0IB=30AIB=20AIB=10AIB=50AIB=40A12TC
SVI
I
exp
VBESIn
n
p
0B
qADWVBE+vi
_Ib=IB+ibIc=IC+icVCC双极型晶体管的小信号模型跨导BEmgV
ICic
gmviTCSVI
I
exp
VBEV
V
kTV
VTTTTSBEm
IC
qIC
ISVg
exp
VBEI
exp
VBEVBE+vi
_Ib=IB+ibIc=IC+icVCC双极型晶体管的小信号模型基区寄生电容qI
CkTFbC
发射结电压变化引起基极少子电量的变化,存在寄生电容F为正向基极扩散时间VBEv+i
_Ib=IB+ibI
=I
+ic
C
cVCC双极型晶体管的小信号模型输入电阻b
c
mi
i
g0
0r
vi
vi
小信号输入电压与基极电流的比值小信号输入分流电阻取决于电流增益,且与集电极电流成反比输出电阻Cm
A
mokTr
Ig
qV
g
VCE
1输出电压的变化对集电极电流的影响VA是
利电压,典型值为50~100VVBE+vi
_Ib=IB+ibIc=IC+icVCC双极型晶体管的小信号模型输出电阻mcbgiir0
0
vi
vi小信号输入电压与基极电流的比值小信号输入分流电阻取决于电流增益,且与集电极电流成反比VBEv+i
_Ib=IB+ibIc=IC+icVCC双极型晶体管的小信号模型EBCrgmv1v1Cbro小信号模型的寄生单元P+P+PN-epiBC
EN+rexcjecccsccsrc2rc3rc1cje
N+rbcN+-BLccs双极型晶体管的完整小信号模型等效电路BCgmv1Cb
v1rexECje
rrb
rcroCcsrc1.不考虑沟道长度调制效应和体效应MOSFET的小信号模型(饱和区)MOS管的小信号模型(饱和区)2.
考虑沟道长度调制效应MOS管的小信号模型(饱和区)3.考虑衬底偏置效应MOS管的小信号模型(饱和区),
i
i
i
i
i
i
'`,
已l)
l
i
i91_]S
O
II\I-d
c」VBEv+i
_Ib=IB+ibIc=IC+icVCC双极型晶体管的小信号模型EBCrgmv1v1ro双极型晶体管的完整小信号模型等效电路BCrgmv1Cb
v1rexECjerb
rcroCcsrc双极型晶体管的完整小信号模型等效电路BCgmv1Cb
v1rexECje
rrb
rcroCcsrc3.模拟集成电路的基本单元电路放大器单级放大器差动放大器恒流电流源镜像电流源电流基准电路基准电压源xyy(t)
a0
a1x(t)
a
2
x (t)
a
x
(t)2
nnx1
x2当x的取值范围足够窄时,即x1
x
x2,y的变化近似直线时y(t)
a
0
a1x(t)即:⊿y=a1⊿x基本放大原理增益放大器的性能参数增益速度功耗线性电源电压输入/输出阻抗电压摆幅噪声模拟电路八边形法则§3.1
单级放大器MOS晶体管放大器组态GDS对于MOS晶体管的三个端子,一个作为输入端子,一个作为输出端子,另一个固定,可以有三种不同组态。GSVin
D
Vout共源极GDVinSVout共栅极GDSVinVout共漏极c输入端口输出端口eb
IBIC共射极输入端口输出端口be
IE
IC
c共基极输入端口输出端口b
IBIE
ec共集电极双极型晶体管放大器的组态△Vin△Id△VoutinvVA
VOUT§3.1.1
MOS共源极放大器vinvOUTMOS管工作在截止区MOS管工作在饱和区MOS管工作
性区VDS=VGS-VtVt+-vinVDDRDVOUTID注意:此处的放大不是将电压直接放大,而是输入电压发生变化,输出电压随之变化的幅度。VOUT
Vin
VTH)2OUTDDD
2
n
ox
in
THV
V
R
1
C
(V
VTHinD
n
oxL
gm
RD
R u
CVinA
VOUTW
(V
V
)为了保证工作管工作在饱和区RD+-Vin+V1-gmV1
gm
RDVin+-vinVDDRDVOUTID跨导gm设计一个放大器,通常希望增益能够尽可能大?如何使共源极的增益达到最大呢?THD
inOUTL
gm
RD
R k'
W
(V
V
)VinVA
DDIDLVR
DL
I
2k'
W
VR
DA
2k'
W
IAvW/LVRDID增大宽长比,提高VRD,降低ID增大宽长比W/LWL沟道调制效应让L尽可能的小,增大WL不能太小,通常为最小尺寸的2-5倍宽长比的增大会带来沟道面积的增大,导致较大的电容RDVDDVOUTRON例如:VDD
VRD
VIN
VTH增大VRD
限制了输出电压的摆幅M1管处于线性区的边缘,输入输出的摆幅非常小减小ID维持VRD,减小ID,必须增大RD输出节点的时间常数增大折衷增益速度折衷VinRDVDDVOUTRON如果考虑沟道调制效应LOUTTHinD
2OUT
DDV
V
R
1
k'
W
(V
V
)2
(1
V
)D
DvA1
R
I
g
m
R
DRD+-Vin+V1-gmV1VOUTrOODvODm
r
r
OR
Dr
R
A
g
I
1
,生本特性Vin
=vDDVoutvDD
—l
t:..71!..OU_ltTyvl`},l21in2
DDOUT1
in
t1LLLV(
VOUT
)(W
)
(W
)LVinVt2)](W
)
(V
VVin[ (W
)
(V
V
)]
[(W
L)2(W
L)1
VinVOUT需要强的驱动管、弱的负载管输出电压摆幅利用小信号模型进行分析·小信口的阻抗代替的贝也=gm
1R。=1II1
2)
111o1gm2
+
g,nb2
lv
-g
ml
(
:
11ro2)
11101
gm2 +gm
b
_
a
~-坠上=-``gm2
I+
X-1.+1-MOS
反相器Vout∆VOUTINAO
V
O
U
TVVin∆VIN输入阻抗、输出阻抗、跨导、增益§3.1.2
双极型共射极放大器VinVDD+VOUT-IbVinRC二极管饱和电流F
bTinScVVI
I
exp( )
I大信号分析VDD
RCVOUTVinVout0.5V正向放大区饱和区VinVout0.5V正向放大区饱和区VinVDD
RCVOUT小信号分析RC+-Vin-gmV1VOUTrO+V1rinvV
gm
(r0
//
RC
)a
Vout
|i
0Vb§3.1.3
MOS共栅极放大器THinD
b)22
LI
1
k'
W
(V
V
VTHDD
b
in2
LV
1
k'
W
(V
V
VVb随着Vin的减小,VOUT也逐渐减小。M1进入线性工作区DDOUTVb
in
TH2
LV
1
k'
W
(V
V
V )2
R)2
R
V
VD
b
THVDDVb-VTHDV
-Vb
TH))LLb
in
THb
in
THHBnnBVSHVT1RDgmVSVT1RDViHVT1RDViTUOV
(
k'
W
(V
V
V)
() (
)
k'
W
(V
V
VDDDOUTVb
in
TH2
L
1
k'
W
(V
V
V )2
RV求增益:体效应减小了输入阻抗,增大了增益§3.1.4
双极共基极放大器VinRCVDDVOUTRC+Vin
--g
Vm
eVOUT+Ve
reav
gm
RC§3.1.3MOS共漏极放大器(源极跟随器)VTHViVo^漏极放大器(源极跟随器)仇=gmR。:=1
1gm,+gmb,+—+r。RL1a
=:VlgmI
lgm+g,mb+—+ro
,
RLxl~+lr)◦bgm%+gmm(+gol8LR基本单级放大器+-vinVDDRDVOUTID共源极in
TH
DL
k'W
(V
V
)RA
gm
RD增益最大为几十RD+-Vin+V1-gmV1VOUTrOA
gm
(RD
//
ro
)增大增益的方法:增大输出阻抗增大跨导共源共栅(Cascode)放大器gm1Vin共栅级:将源级的电流信号传输到输出Cascode:CS+CG共源级:将输入的电压信号转变为电流信号M2对M1起作用,使n引起的Vx变化不大输出阻抗很高、lji百—口分+
O■一llI
Ii心lvTBl上R。RDVD--IFi_◦gm2为立=-gm2vds1gmb2Vbs2·=-g动2w.`1ro2十,°十vigm1Vir^1v心1RL
-—...弓—iQ,l,...gIHI穸吟:一书1l[已口"·
gmll2Vr.,泣亟芦扣Ru0十一·片%1
之为r
1这\十.c--——书-趴-1屯心l
:旯之V
廿于隘上
-
-1_...1。+gm2v心1
+gmb2
dsl+Vdsl
=0ro2gmlVi
+_gm2Vdsl+_gmb2V心1
+vdsl
+v必1
==0rol
ro2il)
g
m
lVIG
m
=
立
=
g
m
1
(
l
—压i
Iv.沪ol+(gm2
+
Kmb2)rol
+ro2doutoiR
Vout
Vout
id
Zsrid
gmVgsVgs
id
Zs
ro
(1
gmZs
)
Zs
rogm
ZsidZsVOUTro固定电位在这个电路中,输出端电压上升,会带来电流的微量上升。MOS管的栅源电压减少了Zsid时,MOS管的输出阻抗为可以计算输出阻抗增大了gmro倍!增大输出阻抗增大跨导增大增益的方法idVOUTro固定电位VinidVOUTVinWLidVOUTVinW4LDW
1gmro
2nCoxL
ID
Im
o
(g r
)2gmro
Zs
gmro
gmro差分对放大器为什么使用差分对?为什么使用差分对?消除时钟干扰消除时钟干扰消除时钟干扰信号以差分的方式传输时钟以差分的方式传输基本差分对电流源驱动的基本差分对尾电流源VDD-RDISS差分对的输入输出特性思考:管子的宽长比及尾电流的大小如何影响差分对的输入输出特性曲线?差分对的定性分析工作条件:Vin,CM
>=VGS1+(VGS3-VTH3)尾电流源差分对的两个重要特性输出端的最大电平和最小电平是完全确定的,与输入共模电平无关V
DD
~~~V
DD
-
R
D
I
SS小信号增益当Vin1=Vin2时达到最大,且随着|
Vin1-Vin2|的增大而减小常用差分对的输入输出特性差分对增益vA
(diff
)
Vout1
Vout
2in1V
Vin2
g
Rm
D半边等效电路增益:同共源极电路m
DV
VA
g
Rin1
in
2
Vout
2
Vout1v1(忽略沟道长度调制效应)VDD-RDISS差分对增益与输入电压的关系IDVin
Gm4ISS
unCox
W2
LunCoxW
/
Lin
V2
4I
SSn
oxu
C W
/
Lin
V
2恒流源电路用途:偏置电路有源负载电流源的关键指标:输出电阻、电容等稳定性:对电源、工艺、温度的依赖性基本形式:镜像电流源(电流镜)电流源12DDTHVDS
VGS
VTHR2
VVR
R电源电压、工艺及温度IOUT
unCox
W
(
R22
L R2
R1DDV
VTH)2IOUT2
L
unCox
W
(
R2DDV
VTH)2工艺R2
R1Cox
VTH不同阈值电压的差值可能达到50mV假设VGS=800mV, VTH1=600mV,
VTH2=650mVOUT
2W
(150mV)22
LIW2
unCoxIOUT1
unCox
(200mV)2
LIOUT1
IOUT2
44%IOUT1镜像电流源(电流镜)假设已经存在一个精确的电流源IREFVDDI1基准产生器IREFI2温度、工艺和电源电压的依存性小电路IREFIOUT在实际电路中,所有电流源都是基准电流的!VGS1=f-1(IREF)如果忽略沟道长度调制效应镜像电流源(电流镜)cont.2D
n
oxGSTH
DS)(
W
)(V
VLI
1
C
)2
(1
V22REFn
ox1
GS1OUTn
ox2
GS
2THDS
2LLI
1
C(
W
)
(VVTH
)2
(1
VDS1
)I
1
C(
W
)
(V
V )2
(1
V
)VGS1
VGS
21outREFI
(W /
L
)2
I(W
/
L
)VDD电流镜?JININ·将输入支路的电流拷贝到输出路,给其它子系统提供电流源IOUT..·电流增益',a=IOUTr.
牢现:
1
I1N—电流镜存在一种器件,流过它的电流与它的一个控制端电压定一一对应的(在器件尺寸一宁时)哪-,
;·::<了勹4、',j'I'·,J
I、_1歹!\;';,石\``.严=
:
,
'/
I
I'-,1=:,I.i1,I
l.,'.,\必,'=丿l,'-,.!',气....;户/·'』,、``
`\一_庄1.
;Il/',,-
-心'II=f伲),%=广(/)输入电流转换为参考电、;参考电压转换为输出电流镜的作用:提供电流源lssi
DI勹亡
昙卢-刁厂A11utvin_—作负载元件—提供偏置电流衡量电流镜的性能·输出阻抗:衡冕输出电流随输出电压的变化R。(8Iout
Iavoutrl电流增益误差:6
=lour-lour_ideallouT
_ideal系统误差:电路结构本身引入的误一,.随机误差:T艺偏差引入的误芒丁VDD·对输入、输出电压的要求1ourOUT=简单MOS型电流镜·设计电流增益为:品M个相同的品体管并联作M2,
N个相同的品体眢并联作M1W2=MW,叭=NW·第三种方案好千第二种,第二种方案好于第一种(工艺偏差)Ia==OUT
_
M
_
(WI
L)2=
=伽
N(WIL)1II度作比例变化hN=—
LM1M伲=—叭N例题1:如果图中的所有晶体管都工作在饱和区.求M4的漏电流.解:1outREFI
(W
/
L
)2
I(W
/
L
)根据公式REFID
2
[
(W
/
L
)2
]
I(W
/
L
)1有:REF
I同时,|ID3|=|ID2|3ID
4(W
/
L
)
[
(W
/
L
)4
]
ID3
ID3
IREF对基本电流镜的仿真(L=50U)对基本电流镜的仿真(L=1.2U)考虑到沟道调制效应2REFn
ox
1
GS1THDS1OUTn
ox2
GS
2THDS
22
LL(
W
)
(V
V2I
1
C )
(1
V
)I
1
C2(
W
)
(V
V )
(1
V
)outREF1DS1I
(W /
L
)2
(1
VDS
2
)
I(W /
L
)
(1
V
)VDS1=VGS1=VGS2VDS1
≠VDS2镜像电流源(电流镜)cont.--------共源共栅电流镜OUTro2VIout
outVPm3ro3
)ro2I
(gIOUT
IREF而且近似程度很高提高输出阻抗:gm3ro3镜像电流源(电流镜)cont.选择Vb,使得VY=VX,Vb-
VY
=
VGS3Vb-VGS3=VY即:V
-
V
=Vb
GS3
XVb=VGS3+VX--------共源共栅电流镜如何产生Vb?Vx上叠加一个栅源电压2L(VGS
VTH
)2IREF
n
Cox
WTHn
oxVGS
ov
VTH
VGSV
2IREF
C
(W
L)ov
VTHov
VTH镜像电流源(电流镜)cont.--------共源共栅电流镜VGS0=VGS3VGS
0
VX
VGS3
VYTHn
ox
VV
3GS
32IOUT
C
(W
L)REFoutI2(W
/
L)
(W
/
L)1
ITH
V2VGS
3
2(W L)1
IREFnCox
(W L)3
(W
L)THn
ox
V0VGS
0
2IREF
C
(W
L)(W
L)11(W L)3
(W
L)2(W
L)0
(W L)1
(W L)0
(W L)3
(W
L)2损失了电压余度VN
VGS
0
VDS1
VGS
0
VGS1VP
VGS
0
VGS1VTH
(VGS
0VTH
)
(VGS1
VTH
)
VTHVP
VY
VN
VY
VTHVP
VN
VTHVP
2ov
VTHVP
2ov例题2:假设图中所有晶体管都相同,画出当VX从一个大的正值下降时IX和VB的草图解:当VX>=VN-VTH时,M2和M3管都工作在饱和区,IX=IREF,VB=VA.随着VX的下降,M2和M3那一个先进入线性区呢?假设M2先进入线性区.要使之成立,VDS2必须下降,且因为VGS2保持恒定,ID2也必须下降.M3先进入线性区.当VX下降到小于VN-VTH3时,M3进入线性区,VB开始下降,导致ID2下降.随着VX与VB的进一步下降,最终可得VB<VA-VTH2,M2进入线性区.此时,ID2开始急剧下降.VA-VTH2VGS
2
(VGS1
VTH
1
)
VGS1
VTH
2即VGS
2
VTH
2
VTH
1
镜像电流源(电流镜)cont.改进的共源共栅电流镜M2饱和的条件:VX大于Vb-VTH2
,(VX=VGS1)M1饱和的条件:VA大于VGS1-VTH1
,(VA=Vb-VGS1)VGS
2
(VGS1
VTH
1
)
Vb
VGS1
VTH
2镜像电流源(电流镜)cont.改进的共源共栅电流镜VGS2=VGS4如果:Vb=VGS2+(VGS1-VTH1)=VGS4+(VGS3-VTH3),则当M1和M3保持相等的漏源电压时,共源共栅电流镜M3--M4消耗的电压余度最小(两个管子的过驱动电压之和).
称之为“低压共源共栅结构”。VGS
2
(VGS1
VTH
1
)
Vb
VGS1
VTH
2IOUTR1
1/
gm1
(W
/
L)1
VDD
(W
/
L)2理想电流源Iout对电源VDD很敏感!!精确电流源(电流基准)的产生电阻精确电流源(电流基准)的产生cont.与电源无关的偏置简单电路Iout=KIREF电流值可以是任意值!前提条件忽略了沟道长度调制效应定性:二极管连接方式的器件都相当于一个电流源驱动,所以IREF和Iout与VDD无关。二极管连接:把晶体管的栅极和漏极短接
MOS器件可以起一个小信号电阻的作用与双极对应,在模拟电路里叫“二极管连接”。为确定电流增加电阻RS(M2存在体效应)消除体效应的替代电路
ID
2
RSNn
OXn
OX
N
V
I
RTH
2
OUT
S
VTH1
VGS1
VGS
22IOUT2IOUT
C K
(W
/
L)
C
(W
/
L)IOUT与VDD无关2211OUTn
OXNS)2K
C (W
/
L
)
RI
(1仍是工艺和温度的函数精确电流源(电流基准)的产生cont.与电源无关的偏置前提条件忽略了沟道长度调制效应原理分析:当电源电压加上后:M3VGS=VDS∴VDS﹥VGS-VTH
∴M3饱和。∵无回路VG3=VD3=VDD
此时M4截止,M1
M2均截止,电路不能自启动与电源无关的电流的生成一l巴IIXActive
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四18:15原理分析:当加上VDD时,M3饱和,VG=VD=VDD,由于M5采用二极管连接
∴M
饱和
M1也采用二极管连接,M1饱和。
VTH1+VTH5+|VTH3|<VDDVGS1+VTH5+|VGS3|>VDD带自启动电流的与电源无关的偏置保证M1导通保证M5导通与电源无关的确定电流的生成(含自启动元件)一l巴I[其Active
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月05
四18:48使得二、与温度无关的基准产生原理:工艺参数是随温度变化的,所以如果一个基准与温度无关,那么通常它也是与工艺无关的。如果将两个具有相反温度系数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,对于随温度变化向相反方向变化的电压V1和V2来说,选取1和21V1
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T
2V2
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0这样就得到具有零温度系数的电压基准,VREF
1V1
2V2带隙基准的基本原理与仿真IC
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