一种用于精密电压基准检测的电路

一种用于精密电压基准检测的电路

在集成或电子设备中，需要为稳定偏压源提供电压参考电源，并提供参考电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定,而且这个直流电平应该与电源和工艺参数的关系很小,但与温度的关系是确定的。1基极-发射极电压与vbe的组合关系晶体管的发射结电压UBE具有负温度系数,而热电压(UT=kT/q)具有正温度系数。对于一个双极器件,流过其集电极的电流IC=ISexp(VBE/VT),其中,饱和电流IS正比于μkTni2,μ为少数载流子的迁移率,ni为硅的本征载流子的浓度。这些参数与温度的关系可以表示为μ∝μ0Tm,其中m⧋-3/2,并且ni2∝T3exp[-Eg/(kT)],Eg⧋1.12eV,为硅的带隙能量。所以:ΙS=BΤ4+mexp-EgkΤ(1)IS=BT4+mexp−EgkT(1)其中B是一个比例系数。于是可得VBE=VTln(IC/IS)=KT/qIn(IC/IS),在假设IC随温度保持不变的情况下可得:∂VBE∂Τ=∂VΤ∂ΤlnΙCΙS-VΤΙS∂ΙS∂Τ(2)∂VBE∂T=∂VT∂TlnICIS−VTIS∂IS∂T(2)又由式(1)可得:∂ΙS∂Τ=b(4+m)Τ3+mexp-EgkΤ+BΤ4+m(exp-EgkΤ)(EgkΤ2)(3)∂IS∂T=b(4+m)T3+mexp−EgkT+BT4+m(exp−EgkT)(EgkT2)(3)所以:VΤΙS=∂ΙS∂Τ=(4+m)VΤΤ+EgkΤ2VΤ(4)VTIS=∂IS∂T=(4+m)VTT+EgkT2VT(4)由式(2)和式(4)可得:∂VBE∂Τ=VΤΤlnΙCΙS-(4+m)VΤΤ-EgkΤ2VΤ=VBE-(4+m)VΤ-Eg/qΤ(5)从式(5)可以看出在给定温度T的情况下,基极-发射极电压的温度系数与VBE本身的大小及温度的高低都有关。就温度而言,双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。又因为人们在1964年发现如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下,那么他们的基极-发射极电压的差值即ΔVBE就与绝对温度T成正比,即表现为正温度系数。如果二者组合,则可获得温度稳定性很好的基准电源。带隙基准电压源正是基于这种原理而实现的。带隙基准电压源的工作原理图如图1所示。UBE为负温度系数,UT发生器乘以系数K为正温度系数,二者经相加后得到基准电压UREF:UREF=UBE+ΚUΤ(6)在室温下,∂VBE/∂T⧋-1.5MV/°K,然而∂VT/∂T⧋+0.087MV/°K,所以可通过选择K的值使K×0.087mV/°K=1.5mV/°K,经计算得当K=17.2时,所取得的值为零温度系数基准。即UREF⧋VBE+17.2VΤ⧋1.25V2带沟模型电路2.1双极晶体的电压等效电路如图2所示,图中双极晶体管Q3和Q4为PNP恒流源,作为Q1,Q2管基电极的有源负载,设ΙC3ΙC4=ΙC1ΙC2⧋ΙE1ΙE2=p,其中Icn和IEn分别表示流过三极管Qn的集电极电流和发射极的电流。与此相同,IBn和IR分别表示流过三极管Qn的基极电流和流过电阻的电流。则由图2可得,加在电阻上R2的电压VR2为:VR2=(ΙE1+ΙE2)R2=(1+Ρ)ΙE2R2=(1+Ρ)ΔVBER1R2=(1+Ρ)R2R1ΔVBE=(1+Ρ)R2R1kΤqlnJ1J2ΔVBE表示双极晶体管Q1和Q2的基极-发射极电压的差值,为负温度系数。J1和J2分别表示晶体管Q1和Q2发射极的电流密度。所以:VREF=VBE+(1+p)(1+Ρ)R2R1kΤqlnJ1J2若p=1,则可以通过选取的比值求得使VREF处于零温度系数状态下的值。经计算,该值等于1.25V。2.2chearf输出实际设计电路图如图3所示。基准产生电路由3部分组成,他们分别是启动部分;基准产生部分和反馈电路部分。LB16为基准电压产生模块的使能信号,其中基准电压模块要正常工作,LB16需为高电平。输入信号GR为输入电压偏置信号,以控制非门INV4所能输出的最高电位。输出信号VREF该模块所产生的基准电压信号,其中基准电压的典型值为1.25V。CHEREF为基准电压模块的逻辑检测信号,其功能是检测输出的基准电压VREF否达到1.25V,若没有,则CHEREF输出低电平;若达到1.25V,则CHEREF的输出为高电平。在启动电路中,随着电源电压VIN的不断升高,当非门INV4的输出电压达到晶体管M418的阈值电压约0.8V时,电路开始启动,并迅速使基准产生部分电路中的三极管Q6P8和Q11(相当于图1中的Q1和Q2)的基极电压上升,与此同时,反馈电路中的三极管Q17P8和Q25的基极电压也上升。与图1中不同的是Q6P8和Q11的共基极的偏置电流不再由Q11的集电极提供。晶体管Q29P2和Q28P2分别相当与图1中的Q4和Q3。M406和M407的作用主要是为了保证流过Q29P2和Q28P2发射极的电流相等,除此之外,这两个管子还起到开关的作用。电路启动后,随着电源电压的升高,加在三极管Q6P8和Q11的基极的偏置电压也逐渐升高,与此同时,加在三极管Q25和Q17P8基极上的偏置电压也逐渐升高。当加在Q6P8,Q11,Q25和Q17P8基极上的电压达到这4组管子的阈值电压后,这4组三极管分别导通,CHEREF的输出为高。加在晶体管M464的栅极上的电压为低,是M464导通,反馈回路部分正常工作,使基准电压稳定在1.25V左右。3电气系统的工作条件由以上的分析可以初步确定电路的器件尺寸,并给定电路的工作条件是:温度范围:0～+85℃;电源电压范围:2.7～5.5V。在TT-Model下才用Hspice仿真软件。(1)电源电压稳定性测试在图4仿真结果的图像中,白颜色曲线的为CHEREF随电源电压的变化曲线,红颜色的曲线为VREF随电源电压变化的曲线。由仿真结果可看出,该基准能在电源电压为2.7～5.5V时很好地稳定在1.25V左右。而GHEREF也能很好地起到检测基准电压是否稳定于1.25V左右的作用。(2)图5显示了用5a代替传统电源电压的温度扫描结果由仿真结果可看出,VREF能在0～+85℃之间能很好地稳定在1.25V左右,并且有很高的精