【正文】 使用的 VBE 表達(dá)式中不精確的原因，加以改進(jìn)。同時(shí)注意到 ， r? 也會(huì)隨著 rT 變化，只是在常溫下變化很小，才將其近似認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，但在低溫下變化很大，就不能作為常數(shù)了。 線性補(bǔ)償 如 果 ()CVT是關(guān)于溫度的線性函數(shù)，能 夠抵消的線性項(xiàng)，就是線性補(bǔ)償，即 ()CV T T??? () 則 ()REF BE CV V V T?? () 高階補(bǔ)償 線性補(bǔ)償后，基準(zhǔn)源輸出電壓中的高階項(xiàng)始終存在，仍然影響輸出電壓的精度 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 1) BEV 環(huán)路曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源 如圖 所示 , 1 2 1 23 3 1 2 3 t an2l n l nB E B E t C t P T A TNLC N L C o n s tV V V I A V II R R A I R I I? ? ? ??? ? ?? ? ? ??? ? ? ? () 其中 ，t an 2BE t B EC o n s t N L P T A T V N L XVVI I I I I RR? ? ? ? ? ?， 1CI ， 2CI 分別是 1nQ 和 2nQ 的集電極電流， XR 是定義 PTATI 的電阻，則： 12 3 t a n2lnB E t P T A TR E F P T A TN L C o n s tV V IV I RR R I I????? ? ?????????? () 此電路結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是過于復(fù)雜，且 CMOS 標(biāo)準(zhǔn)工藝無法制作出高性能的 NPN 晶體管。 電路見圖 所示 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 M1OPA M P+ OUTR11kM2R20VC CQ0R3Q1R4VR EF 圖 利用不同材料電阻的溫度系數(shù)進(jìn)行曲率校正的帶隙基準(zhǔn)電壓源 圖 中， 1R 、 4R 和 3R 由 P 型注入電阻制成其具有正溫度系數(shù) ； 3R 由高阻多晶硅制成，其具有負(fù)溫度系數(shù)。由式 ()可知調(diào)整 21/RR以及 3 0 1 0( ) / ( )R T R T 就 可做到完全消去一次項(xiàng)和二次項(xiàng)，但不能保證更高階項(xiàng)的完全消除。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 3. 高精度 CMOS 帶隙基準(zhǔn)源的電路設(shè)計(jì)與仿真 隨著電子 技術(shù)的發(fā)展 ，各種可移動(dòng)設(shè)備趨于小型化，對(duì)其供電系統(tǒng)要求越來越高，如筆記本電腦，手提醫(yī)用設(shè)備 ，掌上電腦等。 圖 時(shí)針對(duì)以上兩個(gè)難點(diǎn) 提出的一種高精度 CMOS 帶隙基準(zhǔn)源。 QP6R1VD DQP7VR EFQN 6QN 7R20 圖 核心電路 在 圖 中 ， QN QN7 兩管的發(fā)射極面積不等， QN7比 QN6的大， 其比值為 8： 1，它們的基極連在一起。 66 1 6 712 l n2 NR E F B E Q N R B E Q N NR K T JV V V V R q J? ? ? ? () 顯然式 ()第一項(xiàng)具有負(fù)溫漂，第二項(xiàng)具有正溫漂，它 們之和存在 著零溫漂的條件。另外在電路輸出端增加了一個(gè) RC 濾波器，用來提高 VREF在高頻時(shí) 的電源抑制比 [11]。 產(chǎn)生差分電流的工作原理如下 [12]: 對(duì) B 點(diǎn)運(yùn)用 KCL， 1 7 7 6712R E F R E Q N R E Q N R E Q N E Q NV V V V IRR???? () 對(duì)于正偏置的三極管 ： CEII? ln( )BE T E SV V I I? () QN7 的發(fā)射極面積是 QN6 的 N 倍： 76SQN SQNI NI? () 假定： 1P REFV V v? ?? ， 76EQN EQNI I x? ， VREF是平衡電壓 ， v? 是 VP和平衡電壓之間的差。 C0R ef er enc eVbg VR EFRcBand gap 0 圖 基準(zhǔn)電壓輸出端加 RC 濾波器 由 CR 和 0C 引入一個(gè)在頻率 1/2 RC? 處的繼電。當(dāng)工作在高頻時(shí)，基準(zhǔn)電壓的噪聲主要是溫度噪聲， 因?yàn)橐肓艘粋€(gè)在 0 1/ 2f RC?? 處的極點(diǎn)，頻率等于或大于 0f 的噪聲會(huì)被有效的濾去。電路中， 9P 、 8P 、 41N 、 42N 、 20R 、32R 構(gòu)成啟動(dòng)電路 ， 3QP 、 4QP 、 1QP 、 3QN 、 4QN 、 8R 、 11R 、 12R 構(gòu)成了快速啟動(dòng)電路的控制電路 [13]。如果采用一般的比較器來充當(dāng) 比較電路，這種電路的門限電壓將隨 電源電壓、溫度等因素有很大的變化，而且在基準(zhǔn)未建立起來時(shí)，電路中找不到用來充當(dāng)門限的基準(zhǔn)電壓，從而使快速啟動(dòng)電路出現(xiàn)不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。同理，當(dāng) 0v?? 時(shí)，反相器輸出高電平 ，開啟電路給電容充電。 1REFV 和2REFV 都只是經(jīng)過一階補(bǔ)償所得的結(jié)果，曲率較陡。這樣設(shè)計(jì)的目的是要得到兩個(gè)溫度特性不一樣的帶隙基準(zhǔn)電壓源，利用它們相互補(bǔ)償，因?yàn)殡娮璞戎档拇笮≈苯佑绊懙交鶞?zhǔn)電壓源的零溫度系數(shù)和曲率。將 ()和 ()式對(duì)溫度求導(dǎo)，得 1 1 12l n 8R E F B EV V kRT T q R???? () 2 2 1 211ln 8R E F B EV V kRT T q R?????? () 由于 12( ) ( )BE BEV T V TTT?????， 21/ ? ， 11 12/ ? ，因此 21REF REFVVTT??? ,即REF2 的零溫度系數(shù)會(huì)比 REF1 的零溫度系數(shù) 點(diǎn)低，正如圖 所示。國際上公認(rèn)的模擬電路通用仿真工具是美國加利福尼亞大學(xué)伯克利 (Berkeley)分校開發(fā)的通用電路模擬程序 SPICE( Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)， 目前享有盛譽(yù)的 EDA 公司的模擬電路仿真工具，都是以 SPICE 為基 礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。 核心電路 的 仿真結(jié)果 圖 是在溫度 為 25℃ ， 電源電壓為 5V 時(shí)，核心電路的輸出基準(zhǔn)電壓隨電源電壓的變化曲線。在 1MHZ 時(shí)，基準(zhǔn)電壓的電源抑制比都在 80dB 以下 。 圖 帶有 快速啟動(dòng)電路 的啟動(dòng)時(shí)間曲線 圖 沒有 快速啟動(dòng)電路的啟動(dòng)時(shí)間曲線 整體電路的 仿真結(jié)果 1） 電源電壓穩(wěn)定性 圖 是在 溫 度 25℃ 時(shí)，帶隙基準(zhǔn) 電壓 源 的 輸出電壓 Vref隨電源電壓變化的曲線 。 圖 基準(zhǔn)源輸出電壓的溫度特性曲線 本章小結(jié) 本章結(jié)合目前 各種 高精度 CMOS 帶隙 基準(zhǔn)電壓源的性能指標(biāo) 和 不同的電壓源結(jié)構(gòu)，選擇了滿足要求的提高電源抑制比電路、快速 啟動(dòng)電路 及其控制電路 ， 通過對(duì)電路的分蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 析 計(jì)算 確定了電路各部分的性能指標(biāo)， 并且實(shí)現(xiàn)了很好的溫度補(bǔ)償 ，最 后通過 對(duì) 各 部分電路以及整體電路的仿真 ，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性 。
。 本文通過對(duì) CMOS 帶隙基準(zhǔn)電壓源 進(jìn)行 深入 的 研究，設(shè)計(jì)出了一種精度較高的帶隙基準(zhǔn)源 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 基準(zhǔn)電壓隨輸入電壓的 變化 2)溫度特性 圖 是 在 電源電壓為 5V 時(shí)， 帶隙 基準(zhǔn)電壓源 的 輸出電壓 Vref隨溫度變化的曲線。 由圖 可以看出：由于采用了快速啟動(dòng)電路， 啟動(dòng)時(shí)間大約為 700 s? ；如果不采用快速啟動(dòng)電路， 如圖 所示，在同樣的工作條件下， 啟動(dòng)時(shí)間將 會(huì) 延長到蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 20ms。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 核心電路的 基準(zhǔn)電壓隨輸入電壓的變化 電源抑制比電路 的 仿真結(jié)果 圖 是在溫度 為 25℃ ， 電源電壓為 5V時(shí)，帶隙 基準(zhǔn)電壓 源 的電源抑制比特性，掃描范圍是 1Hz 到 10MHz。 HSPICE 是 Meta 軟件公司推出的工業(yè)級(jí)電路分析產(chǎn)品，它能提供電路在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài) 及頻域狀態(tài)下所進(jìn)行的模擬仿真，包括直流工作點(diǎn)和直流傳輸特性分析、交流小信號(hào)分析、噪聲分析、瞬態(tài)分析、傅立葉分析、靈敏度分析、溫度分析、最壞情況分析以及蒙特卡羅分析等等。 假設(shè) ()GVT不隨溫度變化，并且只利用 與 （ ）式中的溫度一階項(xiàng)估算 1REFV 的零溫度系數(shù) 時(shí)的溫度 1rT ，那么（ ） 式可以寫成： 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 1 1 0 1 1 21 1 1( ) ( ) 2 l n 0R E F b e r G rrV V T V T kR NT T R q??? ? ?? () 1( ) rV T V? ， 01( ) 05GrV T V? ， q mV? /℃ ? ?0 1 1 1 21 311( ) ( ) 1 . 2 0 5 0 . 7 2 7 6 32 l n 2 5 . 0 6 0 . 0 8 7 1 0 l n 8G r b e rr V T V T R qTKkR N ?? ?? ? ? ?? ? ? ?℃ 同理可以求出 ? ?0 2 2 12 32( ) ( ) 1 . 2 0 5 0 . 7 3 6 7 9 42 l n 2 3 . 8 0 . 0 8 7 1 0 l n 8G r b e rr V T V T R qkR N ?? ?? ? ? ?? ? ? ?℃ 由 此可知，快速啟動(dòng)電路的控制電路在低溫時(shí)會(huì)有比較好的的溫度特性，它 能對(duì)帶隙基準(zhǔn)源核心電路的溫度特性在低溫時(shí)有很好的補(bǔ)償，經(jīng)過補(bǔ)償后，至少在 3℃ ～ 94℃溫度范圍內(nèi)，帶 隙基準(zhǔn)源的溫度特性曲線會(huì)保持平滑。當(dāng)偏置電流 CI 變小， ()BEVTT? ?變大，反 之， CI 變大， ()BEVTT? ? 變小。 圖 不同的溫度特性曲線相互補(bǔ)償原理圖 在具體電路中實(shí)現(xiàn)如下： 1REFV 是 由 6QP 、 7QP 、 6QN 、 7QN 、 1R 、 2R 、 17N 、 18N 所構(gòu)成的 Bandgap1 的輸出， 2REFV 是由 3QP 、 4QP 、 1QP 、 3QN 、 4QN 、 8R 、 11R 、 12R 所構(gòu)成的 Bandgap2 的輸出。 快速啟動(dòng)電路 快速啟動(dòng)電路 如圖 所示， 當(dāng)控制電路檢測(cè)到 基準(zhǔn)源的輸出未達(dá)到預(yù)定值時(shí)，輸出為高電平， 42N 柵電壓為高電平， 42N 導(dǎo)通，導(dǎo)致 8P 柵電壓降低， 8P 導(dǎo)通，開始對(duì)電容 2C 充電；當(dāng)快速啟動(dòng)電路的控制電路檢測(cè)到電容 2C 上的壓降達(dá)到預(yù)定值時(shí) ，輸出為低電平，從而關(guān)斷快速啟動(dòng)電路，切斷充電電流。具體 電路如圖 所示 N3R 1 2V I NQP3V R E F1 2QN 4 R E FQP1N6QN 3I B I A SR8QP4R 1 1 圖 快速啟動(dòng)電路的控制電路 3QP 、 4QP 組成電流鏡 ， 3QP 、 4QP 、 3QN 、 4QN 、 8R 、 11R 和 12R 組成了比較器的蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 核心電路，即兩管式的帶隙基準(zhǔn)源電路 ， 0I 是與電源無關(guān)的偏置電流。如果電路處于不正常工作狀態(tài)，即電容 2C 上的電壓沒有達(dá)到預(yù)定值 時(shí)，快速啟動(dòng)電路的控制電路就會(huì)輸出低電平 ， 開啟快速啟動(dòng)電路給 2C 充電，一旦電路正常工作之后，控制電路就會(huì)關(guān)斷部分快速啟動(dòng)電路。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 快速啟動(dòng)電路及快 速啟動(dòng)電路的控制電路 由于 帶隙基準(zhǔn)電壓源從三極管的基極輸出基準(zhǔn)電壓，引入 RC 濾波器后，基極輸出電流很小，導(dǎo)致電容 C 的充電時(shí)間很長，電路的開啟時(shí)間增加， 結(jié)果， REFV 達(dá)到它的穩(wěn)定值（ ）需要更多的時(shí)間。對(duì)應(yīng)于零點(diǎn)的頻率表示為： 001 / 2 1 / 2 ( )Cf RC R Z C??? ? ? () 0Z 是帶隙基準(zhǔn)的輸出阻抗。如前面所提的， VREF升高， 76EQN EQNII? 。 具體的工作原理是這樣的：當(dāng)兩管式的帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出電壓偏離平衡值 VREF時(shí)， 6QP 和 7QP 兩條支路產(chǎn)生差分電流。并且當(dāng)電源電壓有頻率較高的交流信號(hào)干擾時(shí)，放大器的輸出會(huì)與電源電壓有很明顯的相位差，