【正文】 ..... 32 直流 特性 仿真 .................................................................................................... 32 瞬態(tài)特性仿真 ..................................................................................................... 34 溫度特性的仿真 ................................................................................................. 35 電源抑制比仿真 ................................................................................................ 36 開環(huán)電壓增益仿真 ............................................................................................. 36 應(yīng)用電路的仿真 ................................................................................................ 37 本章小結(jié) .................................................................................................................................... 39 結(jié)論 ............................................................................................................................................ 40 致謝 ............................................................................................................................................ 41 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................... 42 5 1. 緒 論 基準(zhǔn)電壓源（ Reference Voltage）是指在模擬電路、混合信號(hào)電路中用作電壓基準(zhǔn)的參考電壓源 ,它具有很多的優(yōu)點(diǎn)，典型的是相對(duì)較高的精度和穩(wěn)定度。它的穩(wěn)定性和抗噪聲性會(huì)影響到整個(gè)電路系統(tǒng)的精度和性能。模擬電路使用基準(zhǔn)源，抑或?yàn)榱说玫脚c電源無關(guān)的偏置，抑或?yàn)榱说玫脚c溫度無關(guān)的偏置，它的性能好壞將會(huì)直接影響到 電路的性能穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)源是電子電路中不可或缺的一部分，因此性能優(yōu)良的基準(zhǔn)源是一切電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)最基本的和最關(guān)鍵的要求。 基準(zhǔn)電路分為電流基準(zhǔn)電路和電源基準(zhǔn)電路。無論是電壓基準(zhǔn)還是電流基準(zhǔn)都要BEBEBE VVVRI ???? 2132 以求輸出特性必須達(dá)到穩(wěn)定，包括較高的電源電壓抑制比、較低的溫度系數(shù)，以及良好的負(fù)載特性和工藝無關(guān)性。理想的基準(zhǔn)電路所提供的電壓或者電流是不隨其它任意條件的改變而變化。然而，通常在實(shí)際的電路中，這種情況是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此只能通過版圖技術(shù)、電路 結(jié)構(gòu)原理上的改進(jìn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)等方面來進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電路輸出電壓的穩(wěn)定性或者電流的穩(wěn)定性。從電路技術(shù)上的方法上，有多個(gè)實(shí)現(xiàn)途徑。通?？梢岳?VBE、 THV 、耗盡管、齊納二極管的反向擊穿電壓等產(chǎn)生的電壓。為了能夠滿足高性能的電路對(duì)電壓基準(zhǔn)電路的要求，因此可以采用帶隙基準(zhǔn)的原理來得到。 隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步繁瑣性，在模擬電路基本模塊的應(yīng)用中，例如 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器及鎖相環(huán)等電路。其中，基準(zhǔn)電壓源是電壓穩(wěn)壓器中所必 備的一個(gè)電路單元，它是 DC— DC 轉(zhuǎn)換器中不可或缺的單元組成部分，在各種要求較高精確度的電壓表、歐姆表、電流表等儀器里都需要穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 在模擬集成電路設(shè)計(jì)中，參考電壓源是一個(gè)應(yīng)用范圍十分廣泛的基本模塊。我們所說的參考電壓源，就是能夠提供高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電源的電路，它們之間的參考電壓和電源，工藝參數(shù)，溫度的變化關(guān)系是非常小的。然而，它的溫度穩(wěn)定性和抗噪聲性能夠影響到整個(gè)電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于內(nèi)部或外部的基準(zhǔn)精度。如果沒有一個(gè)滿足要求的參考電路 ，它就不可能正確和有效的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的性能。 雙極型工藝是集成電路最先發(fā)展起來的先進(jìn)工藝，因此以雙極性型工藝制作出來的電壓或者電流基準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到了很高的性能和精度。在上世紀(jì) 80 年代， MOS 工藝得到了迅 6 速地發(fā)展。 90 年代以后， COMS 憑借它的低功耗、高集成度，較好的穩(wěn)定性等特性逐漸占領(lǐng)了數(shù)字電子產(chǎn)品市場(chǎng)。近些年來，國(guó)內(nèi)外的各種研究機(jī)構(gòu)對(duì) CMOS 工藝所實(shí)現(xiàn)的電壓基準(zhǔn)源作了大量研究，發(fā)表了諸多具有重要意義的學(xué)術(shù)論文?；鶞?zhǔn)電壓源在電路系統(tǒng)其中的技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在這幾個(gè)方面： 1） 低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源：在要求精度高的應(yīng)用 場(chǎng)合中，低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源就尤為關(guān)鍵了。比如，對(duì)于高精度的 A/D 和 D/A 結(jié)構(gòu)、高精度的電流源和高精度的電壓源等。在設(shè)計(jì)低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源時(shí)，一般必須進(jìn)行高階的溫度補(bǔ)償。 目前的高階溫度補(bǔ)償技術(shù)有以下幾種：常見的 Vbe 環(huán)路曲率補(bǔ)償法，非線性β曲率補(bǔ)償法，還有基于電阻比值的溫度系數(shù)曲線補(bǔ)償方法等等。 2） 低電壓工作的基準(zhǔn)電壓源： SOC(Signal Operation Control)主流工藝是 CMOS 工藝 ,目前， 5V()、 ()、 ()、 ()、 ()、()等基準(zhǔn)的電源電壓已經(jīng)得到廣泛的使用。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，深亞微米技術(shù)開創(chuàng)了一個(gè)新的天地，使得集成電路的電源電壓也越來越低。因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)電壓在 左右，所以一般的帶隙基準(zhǔn)源的工作電壓至少會(huì)在 以上。如果采用特殊的電路結(jié)構(gòu)，帶隙基準(zhǔn)源就可以工作在 1V 左右。采用這些電路結(jié)構(gòu)后主要的工作電壓限制通常來自于運(yùn)放的工作電壓，并且最終受限于 MOS 管的閾值電壓。 傳統(tǒng)帶隙電壓基準(zhǔn)源的帶隙電壓為 左右。然而，對(duì)于電源電壓低于 的電壓基準(zhǔn)必須要采用特殊的電路結(jié)構(gòu)。盡管通過采用特殊的器件和相關(guān)的工藝技術(shù)可以得到具有低電壓源電壓帶隙基準(zhǔn)源的電路，但是這與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 工藝技術(shù)并不兼容，因此大大增加了制造成本。另外，采用反饋調(diào)節(jié)回路和調(diào)節(jié)電流的模式就可以得到低電壓的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。 3）低功耗的基準(zhǔn)電壓源：低功耗一直是衡量電路性能好壞的指標(biāo)之一。作為集成電路的一個(gè)基本單元電路，低功耗也是基準(zhǔn)電壓源研究方向的一個(gè)重要方向。毫無疑問，低功耗電路可以延長(zhǎng)電池的使用壽命。因此，低功耗設(shè)計(jì)對(duì)于依靠電源工作的便攜式設(shè)備具有非常重要的意義。其中 ，降低電路功耗的首選方法是將 MOS 晶體管偏置在亞閾值區(qū)。采用浮柵的 MOS 器件，也可以降低電路的功耗，但是這與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 工藝技術(shù)并不相兼容，成本比較高。 4）高電源抑制比的基準(zhǔn)電壓源：隨著數(shù)字集成電路和射頻集成電路的迅速發(fā)展以及在高頻電路中帶隙基準(zhǔn)源的廣泛使用。電源抑制比性能參數(shù)成為了基準(zhǔn)源電路在高頻和 7 數(shù)模混合電路中的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。在數(shù)?；旌系募呻娐分?，電路中可能存在對(duì)模擬電路信號(hào)產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象，即是高頻的噪聲和數(shù)字電路產(chǎn)生噪聲地影響。 在混合電路中，電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該在較寬的范圍內(nèi)具有良好的電源抑制比 特性，在有些設(shè)計(jì)中會(huì)使用運(yùn)放結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)。在直流頻率時(shí)的 PSRR(Power Supply Rjection Ratio，電源抑制比 )通常可以達(dá)到 100dB，在 1MHz 時(shí)的 PSRR 達(dá) 80dB。然而，使用無運(yùn)放結(jié)構(gòu)的負(fù)反饋帶隙基準(zhǔn)，在 1KHz 的 PSRR 為 90dB，在 1MHz 時(shí)的 PSRR 為 30dB。 課題研究的目的意義 傳統(tǒng)的參考電壓源是基于齊納二極管的基本原理制成的。但是齊納二極管的擊穿電壓一般比所使用的電壓源電壓大，因此已過時(shí)，不再使用。隨著便攜式電子設(shè)備的日益普及，在基于 低電源電壓集成電路的日益增長(zhǎng)需求中，電池日漸得到長(zhǎng)足發(fā)展。維德拉在 20世紀(jì) 70 年代初，首次提出了帶隙基準(zhǔn)電壓源的概念和基本設(shè)計(jì)理念。因?yàn)樗膬?yōu)勢(shì)在電源電壓，功耗，穩(wěn)定性中有很大的優(yōu)越性，因此已被廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在有帶隙電壓基準(zhǔn) IC 已被廣泛使用在軍事裝備領(lǐng)域，通訊設(shè)備，汽車電子，工業(yè)自動(dòng)化控制和消費(fèi)電子產(chǎn)品。參考電壓源是一個(gè)具有精密電壓基準(zhǔn)電路系統(tǒng)等功能的模塊，或通過轉(zhuǎn)換到其他模塊的高精度電流基準(zhǔn)，為其它的模塊提供準(zhǔn)確，穩(wěn)定的偏置電路。 TL431 是一種可調(diào)式的精密穩(wěn)壓集成電路，在功能上相當(dāng)于一只低溫可變的穩(wěn)壓二 極管。在集成塊的內(nèi)部有一個(gè) 的精密基準(zhǔn)電壓源，通過兩只外接電阻，其穩(wěn)壓值在 與 36V之間可以連續(xù)調(diào)節(jié)，輸出電流達(dá) 100mA。我們利用 TL431 的這一特性，可以在數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源、電源保護(hù)和運(yùn)算放大等電路中，設(shè)計(jì)出很多的獨(dú)特電路。 本文的主要內(nèi)容 通過對(duì) TL431 的功能原理以及性能的分析，并逐漸深入的進(jìn)行分析基于 TL431 電路的串聯(lián)穩(wěn)壓基準(zhǔn)電路，借用 specture 仿真工具對(duì)其進(jìn)行電路模擬仿真，包括基準(zhǔn)源電路、鏡像電路、基本放大電路等。本文的主要內(nèi)容有： 1） 介紹基準(zhǔn)源電壓電路研究的基本 現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢(shì)以及本課題研究的目的意義； 2） 介紹 偏置電壓源和基準(zhǔn)電壓源電路的分類； 3） 介紹 TL431 的基本工作原理以及應(yīng)用電路； 4） 對(duì) TL431 集成電路的模擬仿真分析，并進(jìn)行參數(shù)等的優(yōu)化分析。 8 2. 基準(zhǔn)電壓源電路和偏置的電流源電路 基準(zhǔn)源主要分為基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源，而基準(zhǔn)電壓源的性能參數(shù)主要有溫度系數(shù)，功耗等。在集成電路內(nèi)部經(jīng)常需要高質(zhì)量的內(nèi)部穩(wěn)壓源，以提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準(zhǔn)電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平比較穩(wěn)定，而且提供這個(gè)直流電平應(yīng)該對(duì)電源電壓和溫度不敏感。 在集成電路中，與電源電壓無關(guān)的常 用標(biāo)準(zhǔn)電壓有以下三類： （ 1） BE 結(jié)二極管的正向壓降 Vbe， Vbe= ~ V，它的溫度系數(shù) 。 （ 2）由于 NPN 管子的反向擊穿電壓 BE 結(jié)構(gòu)成的齊納二極管的擊穿電壓 ZV ， ZV = V9~6 ，它的溫度系數(shù)為 ； (3)等效熱電壓 tV =26mV，溫度系數(shù)為 CmVTVt ????? 。 直接采用電阻和管分壓的基準(zhǔn)電壓源 如下圖的 基準(zhǔn)電壓源，它是最基本的也是最簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)電壓源。 圖 （ a）用 電阻分壓的基準(zhǔn)電壓源 圖 （ b）用 管分壓的基準(zhǔn)電壓 源 對(duì)于圖 （ a），根據(jù)題意有： （ ） CmVTVBE ????? 2CmVTVT ????? 2212REF DDRVVRR? ?R20VREFR1VDDVDDM10M2VREF 9 () 其中， REFDDVVS表示電源電壓幅度敏感系數(shù)。 對(duì)于圖 （ b），根據(jù)題意有， （ ） 其中 , PoxPP LWC )(?? ? ， NoxNN LWC )(?? ? , PLW( 和 NLW )( 分別代表 PMOS 管的寬長(zhǎng)比， NMOS 的寬長(zhǎng)比。如果是 PN ?? ? , TPTN VV ? ，那么它的輸出端基準(zhǔn)電壓 電源電壓非常敏感，它對(duì)溫度也非常敏感，因此對(duì)其應(yīng)用受到極大的限制。 有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準(zhǔn)電壓 源 通過對(duì)以上情況的分析，為了能夠設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單的基準(zhǔn)電壓源，因此設(shè)計(jì)出了有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準(zhǔn)電壓源，如下圖所示。 圖 電阻與 MOS器件串聯(lián)組成的基準(zhǔn)電壓源 ( ) ( )1 ( )T N P N D D T PREF PNV V VV ?? ????? ?1REFDDV R E F R E