【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 應用電路的仿真 ................................................................................................ 37 本章小結(jié) .................................................................................................................................... 39 結(jié)論 ............................................................................................................................................ 40 致謝 ............................................................................................................................................ 41 參考文獻 .................................................................................................................................... 42 5 1. 緒 論 基準電壓源（ Reference Voltage）是指在模擬電路、混合信號電路中用作電壓基準的參考電壓源 ,它具有很多的優(yōu)點，典型的是相對較高的精度和穩(wěn)定度。它的穩(wěn)定性和抗噪聲性會影響到整個電路系統(tǒng)的精度和性能。模擬電路使用基準源，抑或為了得到與電源無關的偏置，抑或為了得到與溫度無關的偏置，它的性能好壞將會直接影響到 電路的性能穩(wěn)定?；鶞试词请娮与娐分胁豢苫蛉钡囊徊糠郑虼诵阅軆?yōu)良的基準源是一切電子系統(tǒng)設計最基本的和最關鍵的要求。 基準電路分為電流基準電路和電源基準電路。無論是電壓基準還是電流基準都要BEBEBE VVVRI ???? 2132 以求輸出特性必須達到穩(wěn)定，包括較高的電源電壓抑制比、較低的溫度系數(shù)，以及良好的負載特性和工藝無關性。理想的基準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，通常在實際的電路中，這種情況是不可能實現(xiàn)的。因此只能通過版圖技術、電路 結(jié)構(gòu)原理上的改進、優(yōu)化設計和工藝的改進等方面來進一步提高基準電路輸出電壓的穩(wěn)定性或者電流的穩(wěn)定性。從電路技術上的方法上，有多個實現(xiàn)途徑。通常可以利用 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電壓基準電路的要求，因此可以采用帶隙基準的原理來得到。 隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進一步繁瑣性，在模擬電路基本模塊的應用中，例如 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器及鎖相環(huán)等電路。其中，基準電壓源是電壓穩(wěn)壓器中所必 備的一個電路單元，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)定的電壓基準源。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 在模擬集成電路設計中，參考電壓源是一個應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)部或外部的基準精度。如果沒有一個滿足要求的參考電路 ，它就不可能正確和有效的實現(xiàn)系統(tǒng)設定的性能。 雙極型工藝是集成電路最先發(fā)展起來的先進工藝，因此以雙極性型工藝制作出來的電壓或者電流基準已經(jīng)達到了很高的性能和精度。在上世紀 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了數(shù)字電子產(chǎn)品市場。近些年來，國內(nèi)外的各種研究機構(gòu)對 CMOS 工藝所實現(xiàn)的電壓基準源作了大量研究，發(fā)表了諸多具有重要意義的學術論文?；鶞孰妷涸丛陔娐废到y(tǒng)其中的技術發(fā)展主要表現(xiàn)在這幾個方面： 1） 低溫度系數(shù)的基準電壓源：在要求精度高的應用 場合中，低溫度系數(shù)的基準電壓源就尤為關鍵了。比如，對于高精度的 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。在設計低溫度系數(shù)的基準電壓源時，一般必須進行高階的溫度補償。 目前的高階溫度補償技術有以下幾種：常見的 Vbe 環(huán)路曲率補償法，非線性β曲率補償法，還有基于電阻比值的溫度系數(shù)曲線補償方法等等。 2） 低電壓工作的基準電壓源： SOC(Signal Operation Control)主流工藝是 CMOS 工藝 ,目前， 5V()、 ()、 ()、 ()、 ()、()等基準的電源電壓已經(jīng)得到廣泛的使用。隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，深亞微米技術開創(chuàng)了一個新的天地，使得集成電路的電源電壓也越來越低。因為帶隙基準電壓在 左右，所以一般的帶隙基準源的工作電壓至少會在 以上。如果采用特殊的電路結(jié)構(gòu)，帶隙基準源就可以工作在 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)帶隙電壓基準源的帶隙電壓為 左右。然而，對于電源電壓低于 的電壓基準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的工藝技術可以得到具有低電壓源電壓帶隙基準源的電路，但是這與標準的 CMOS 工藝技術并不兼容，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電壓源電路。 3）低功耗的基準電壓源：低功耗一直是衡量電路性能好壞的指標之一。作為集成電路的一個基本單元電路，低功耗也是基準電壓源研究方向的一個重要方向。毫無疑問，低功耗電路可以延長電池的使用壽命。因此，低功耗設計對于依靠電源工作的便攜式設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，但是這與標準的 CMOS 工藝技術并不相兼容，成本比較高。 4）高電源抑制比的基準電壓源：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源的廣泛使用。電源抑制比性能參數(shù)成為了基準源電路在高頻和 7 數(shù)?；旌想娐分械囊粋€重要衡量指標。在數(shù)?；旌系募呻娐分?，電路中可能存在對模擬電路信號產(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，電壓基準源應該在較寬的范圍內(nèi)具有良好的電源抑制比 特性，在有些設計中會使用運放結(jié)構(gòu)的帶隙基準技術。在直流頻率時的 PSRR(Power Supply Rjection Ratio，電源抑制比 )通?？梢赃_到 100dB，在 1MHz 時的 PSRR 達 80dB。然而，使用無運放結(jié)構(gòu)的負反饋帶隙基準，在 1KHz 的 PSRR 為 90dB，在 1MHz 時的 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，不再使用。隨著便攜式電子設備的日益普及，在基于 低電源電壓集成電路的日益增長需求中，電池日漸得到長足發(fā)展。維德拉在 20世紀 70 年代初，首次提出了帶隙基準電壓源的概念和基本設計理念。因為它的優(yōu)勢在電源電壓，功耗，穩(wěn)定性中有很大的優(yōu)越性，因此已被廣泛應用。現(xiàn)在有帶隙電壓基準 IC 已被廣泛使用在軍事裝備領域，通訊設備，汽車電子，工業(yè)自動化控制和消費電子產(chǎn)品。參考電壓源是一個具有精密電壓基準電路系統(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，為其它的模塊提供準確，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 的精密基準電壓源，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 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、電源保護和運算放大等電路中，設計出很多的獨特電路。 本文的主要內(nèi)容 通過對 TL431 的功能原理以及性能的分析，并逐漸深入的進行分析基于 TL431 電路的串聯(lián)穩(wěn)壓基準電路，借用 specture 仿真工具對其進行電路模擬仿真，包括基準源電路、鏡像電路、基本放大電路等。本文的主要內(nèi)容有： 1） 介紹基準源電壓電路研究的基本 現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢以及本課題研究的目的意義； 2） 介紹 偏置電壓源和基準電壓源電路的分類； 3） 介紹 TL431 的基本工作原理以及應用電路； 4） 對 TL431 集成電路的模擬仿真分析，并進行參數(shù)等的優(yōu)化分析。 8 2. 基準電壓源電路和偏置的電流源電路 基準源主要分為基準電壓源和基準電流源，而基準電壓源的性能參數(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，而且提供這個直流電平應該對電源電壓和溫度不敏感。 在集成電路中，與電源電壓無關的常 用標準電壓有以下三類： （ 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電壓源 如下圖的 基準電壓源，它是最基本的也是最簡單的基準電壓源。 圖 （ a）用 電阻分壓的基準電壓源 圖 （ b）用 管分壓的基準電壓 源 對于圖 （ 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 管的寬長比， NMOS 的寬長比。如果是 PN ?? ? , TPTN VV ? ，那么它的輸出端基準電壓 電源電壓非常敏感，它對溫度也非常敏感，因此對其應用受到極大的限制。 有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準電壓 源 通過對以上情況的分析，為了能夠設計出簡單的基準電壓源，因此設計出了有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準電壓源，如下圖所示。 圖 電阻與 MOS器件串聯(lián)組成的基準電壓源 ( ) ( )1 ( )T N P N D D T PREF PNV V VV ?? ????? ?1REFDDV R E F R E