【文章內(nèi)容簡介】 的基準電壓源 圖 4 電阻與雙極型晶體管串聯(lián)的基準電壓源 對圖 3 和圖 4，有 1)(2 R VVVVV R E FDDTGSR E F ? ???? () ))()(1 1( 1 REFDDTREFVV VVRVVS R E FDD ??? ? () 當穩(wěn)壓二極管 工作在反向偏置區(qū)時，在穩(wěn)定的電壓下，電流也是穩(wěn)定的。隨著電壓的增加，電流會迅速的增加。因此，在使用這種基準時，必須提供一個恒定的電流。最基本的方式就是由電源和電阻來實現(xiàn)，如圖 5 所示。 VDDVREFR1 圖 5 穩(wěn)壓 二極管構(gòu)成的電壓基準源 第 5 頁 共 45 頁 BVREF VV ? () BVDDZ ZVV VVRr rS REFDD )( ?? () 其中， Zr 是穩(wěn)壓二極管在擊穿點 Q 的小信號阻抗。如圖 6 圖 6 齊納二極管工作特性 圖 7 VBV的溫度系數(shù)與 VBV的關系 當反向擊穿 V=VBV時， VBV變化范圍為 6V～ 8V (如圖 7)， VBV值的大小取決于 N+區(qū)和 P+區(qū)的摻雜濃度。擊穿電壓 VBV 的溫度系數(shù)會隨著擊穿電壓 VBV大小的變化而變化，齊納穩(wěn)壓擊 穿電壓的溫度系數(shù)為負，雪崩擊穿電壓的溫度系數(shù)為正。于是，可以通過選擇合適的正溫度系數(shù)就可以抵消二極管的結(jié)壓降的負溫度系數(shù)（約為 ℃ ）。通過選擇合適的偏置電流，就可以獲得接近零溫度系數(shù)的基準電壓。 由于該電壓基準源使用起來有點困難、精度不高、噪聲大且輸出基準電壓對電流和溫度都有較大的依賴，所以這種基準源的應用越來越少。 帶隙基準電壓源 帶隙基準電壓源比其它基準電壓源具有很多優(yōu)點： (1)由于它是建立在非表面的帶隙原理上，因此輸出電壓比穩(wěn)壓二極管更穩(wěn)定； (2)通過溫度補償技術，它的溫度系數(shù)可以很??； (3)穩(wěn)定性高； (4)工作靜態(tài)電流和功耗都很小； (5)電源電壓抑制比 PSRR 比較大，因此輸出電壓受電源電壓的影響很??； (6)與標準 CMOS 工藝完全兼容； (7)可以工作于低電源電壓下； 溫度漂移、噪聲和 PSRR 等指標能滿足大部分系統(tǒng)的要求。于是帶隙基準電壓源得到了廣泛的應用。 第 6 頁 共 45 頁 帶隙基準電壓源的 原理 [7] 為了得到與溫度無關的基準電壓源。其基本思路就是將具有負溫度系數(shù)的電壓 1V 和具有正溫度系數(shù)的電壓 2V 以適當?shù)臋?quán)重相加。他們的結(jié)果能夠得到零溫度系數(shù)的電壓 REFV 。即選取適當?shù)?1? 和 2? 使得 0// 2211 ?????? TVTV ?? ，這樣就得到了具有零溫度系數(shù)的基準電壓 2211 VVVREF ?? ?? 。 (1)負溫度系數(shù)電壓 雙極型晶體管的基極 發(fā)射極電壓具有負溫度系數(shù)。具體分析如下： 它的集電極電流為： )/e x p ( TBESC VVII ? () 其中， 0 .02 6 V/ ?? qKTVT ， SI 為飽和電流。 根據(jù)半導體物理的知識 可知 kTEbTI gmS ?? ? ex p4 () 其中， b 為比例系數(shù)， ?m 3/2， ?gE 。 由 )/ln( SCTBE IIVV ? ，為了簡化分析，暫時假設 CI 保持不變，有 TIIVIITVTV SCTSCTBE ???????? )ln( () 由式 ()，我們有 ))((e xpe xp)4( 243 kTEkTEbTkTETmbI ggmgmS ????? ?? () 所以 TgTSST VkTETVmTIIV 2)4( ????? () 由式 ()和式 ()，我們可以得到 TgTSCTBE VkTETVmIITVTV 2)4()l n( ?????? T qEVmV gTBE /)4( ???? () 通常情況下 BEV 小于 qEg/ ，所以 BEV 具有負溫度系數(shù)。同時我們注意到 BEV 的溫度系數(shù)與本身有關，如果正溫度系數(shù)的量表現(xiàn)出一個固定的溫度系數(shù)，那么在恒定基準的產(chǎn)生電路中就會產(chǎn)生誤差。 第 7 頁 共 45 頁 (2)正溫度系數(shù)電壓 如果兩個雙極型晶體管工作在不相等的電流密度下，那么他們的基極 發(fā)射極電壓的差值就與絕對溫度成正比。如圖 8 所示 圖 8 正溫度系數(shù)的產(chǎn)生電路 對圖 8，有 nVnIIVIIVVVV TSTSTBEBEBE lnlnln21 ?????? () 因此， BEV? 可實現(xiàn)正溫度系數(shù)： nqknTVTV TBE lnln ??????? () 當 T=300K 時， ???? qkTVT // +。 n 由許多三極管并聯(lián)實現(xiàn)。有趣的是，這個溫度系數(shù)與溫度或集電極電流的 特性無關。 (3)基本結(jié)構(gòu) 利用放大器兩個輸入端近似相等就可以將正負溫度系數(shù)的特性結(jié)合起來。如圖 9 圖 9 基本帶隙電壓源產(chǎn)生電路 )()( 323 212322 RRR VVVRRIVV BEBEBEBEout ??????? )(3232 RRRVV BEBE ???? () 第 8 頁 共 45 頁 由式 ()和式 ()得 )(ln 3232 RRR nVVV TBEout ??? () 3322 ln R RRq nkTVTV BEout ??????? () 式 ()中 TVBE?? 2 可由式 ()求得，若適當?shù)剡x擇 n 與 2R 、 3R 的值，可以使0???TVout ，此時可以近似認為輸出電壓與溫度無關。事實上，由于 TVBE?? 2 本身與 溫度有一定關系，所以實際得到的電壓僅在預設溫度鄰近區(qū)域內(nèi)才能看作與溫度無關，其他溫度下仍有一定影響。 (已經(jīng)遠小于沒有溫度系數(shù)抵消時的情況 ) 溫度系數(shù)的補償原理 [1][8] 三極管的 VEB 可以表示為 00000 ln)()()( TTVVVTTVTV TGBEGEB ?? ????? () 其中， 0GV 為 0K 時硅的帶隙電壓，只與材料本身有關。 0BEV 是在溫度 0T 時晶體管的基射結(jié)電壓， ? 是硅遷移率的溫度系數(shù)，其值大約為 4， ? 的值與集電極電流 CI 的溫度特性有關，當流過三極管的電流與溫度成正比時 1?? ，當流過三極管的電流與溫度無關時 0?? 。從式 ()中可以看出 EBV 可分為常數(shù)項與溫度一階相關項和高階相關項。要減小帶隙基準電壓的溫度系數(shù)，必須進行溫度補償，消除式中第二項甚至第三項的影響。 由于式 ()中有 TlnT 一項，利用泰勒展開，式 ()可以表示為： 0122.. .. . .)( aTaTaTaTV nnEB ????? () (1)一階溫度補償 前面分析的簡單帶隙基準就是一階溫度補償電路，其溫度系數(shù)一般在 40ppm/℃。原理就是用與絕對溫度成正比 (PTAT)電壓將式 ()中 Ta1 項抵消掉。其精度遠遠不能達到現(xiàn)在電路的要求，因此產(chǎn)生了高階溫度補償技術。 (2)高階溫度補償 其原理就是將式 ()中 22Ta 等項抵消。若只將 Ta1 和 22Ta 項抵消，為二階溫度補償；將 Ta1 ， 22Ta ， 33Ta 項抵消，為三階溫度補償；若將 Ta1 ， 22Ta ...... nnTa項 抵消，則為 N 階溫度補償。補償?shù)碾A數(shù)越高，基準輸出電壓 VREF的溫度系數(shù)越小，其精度越高、性能越好。 第 9 頁 共 45 頁 帶隙基準的限制因素 [1] (1)帶隙基準精度的限制因素 ① 三極管 VBE的溫度系數(shù)與溫度本身有關，而 ? VBE的溫度系數(shù)是一個常數(shù)，基本結(jié)構(gòu)中疊加的兩部分電壓進行的溫度補償是一階近似補償，如果需要更為精確的基準電壓，需要進行高階溫度補償。 ② 實際電路中，由于不對稱性，運算放大器會受到輸入“失調(diào)”的影響。所謂失調(diào)就是，當運放輸入為零時，輸出電壓不為零，從而是輸出電壓產(chǎn)生誤差?？紤] VOS 失調(diào)電壓 , 輸出基準電壓應修正為： 321232 )( R VVVRRVV OSBEBEBER E F ????? )ln)(1(322 OSTBE VnVRRV ???? () 由于在 CMOS 工藝中運放的 VOS可以高達 20 mV，輸入失調(diào)電壓已成為 限制輸出基準精度的重要因素。 ③ 在分析圖 9 電路的過程中，假設電阻的溫度系數(shù)為 0，這在實際電路中是不可能實現(xiàn)的。電阻的溫度系數(shù)同樣會影響帶隙基準源的輸出精度。不過，如果這種影響是被很好的利用，將會帶來意想不到的效果，通過后面章節(jié)的分析會發(fā)現(xiàn)這一點。 ④ CMOS 帶隙基準源電路采用的寄生三極管的 ? 一般小于 10，因此 會具有較大的基極電流，這是帶隙基準源誤差的來源之一。 在上述因素的影響下，簡單 CMOS帶隙基準源的精度一般在 40 ppm/℃ 左右。 (2)帶隙基準的電源電壓的限制因素 ① 輸出基準的大小決定了電源電壓的最小值 ： SD 3R E F VVm i n { V D D } ?? () ② 運算放大器的共模輸入電壓也會限制電源電 壓 ； 如果運算放大器采用NMOS 差分輸入 ， 運放輸入端的最小共模輸入電壓為 ： 2VV}m in { V DS s a tTNI N C M ?? () 最小的電源電壓為 ： V V 2V Vm i n { V D D } DS s a t 3R2DS s a t 2 TN ???? () 同理可得運放采用 PMOS 差分輸入的最小電源電壓 ： V2|V|Vm i n { V D D } S Ds a tTPE B 2 ??? () 在這兩個因素的限制下 ， 帶隙基準源電路的電源電壓一般在 V 以上。 綜上，傳統(tǒng)的帶隙基準電路存在很多問題，在電源電壓、溫度系數(shù)、功耗、 第 10 頁 共 45 頁 PSRR 等方面無法達到現(xiàn)今集成電路設計的要求。近幾年針對這些問題，很多國內(nèi)外學者從電源電壓、溫度系數(shù)、 PSRR、功耗等方面對其進行了改進，取得了十分不錯的進展，具體如下 [12]： 低壓帶隙基準 (1)輸出端接分流電阻的帶隙基準源 運放共模輸入電平對帶隙基準電源電壓的限制，是可以通過合理的運放輸入級消除的。降低電源電壓的難題在于消除輸出基準電 壓的影響。其中一種解決方法就是在輸出端接一個分流電阻。如圖 10 當運放處于深度負反饋時， A 與 B 兩點電勢相等。流過 R1 的電流就是PTAT(與絕對溫度成正比 )電流。 NqRKTRVI BE ln111 ??? () 又由基爾霍夫定律得 231333 )( RIIVRIV EBR E F ???? () )(1 213323 RIVRRI EB ??? () )ln( 12332 333 NqKTRRVRR RRIV EBREF ???? () 圖 10 輸出端接分流電阻的帶隙基準源 (2)BANBA 結(jié)構(gòu)帶隙基準源 Hironori Banba 等人在 1999 年發(fā)表于 JSSC 上的一種新的 帶隙基準的 電路結(jié)構(gòu) ，簡稱 BANBA 結(jié)構(gòu)。 在運算放大器的 兩個 輸入端加入阻值相等的分流電阻。輸出基準電壓由兩個電流的和電流經(jīng)過電阻獲得。這種電路結(jié)構(gòu)的輸出基準大小可以任意調(diào)節(jié) ， 但是運放的輸入共模電平仍然會限制電源電壓。 如圖 11 第 11 頁 共 45 頁 當運放處于深度負反饋時， A 與 B 兩點電勢相等。流過 R1的電流就是 PTAT電流。 NqRKTRVI BE ln111 ??? () 流過 R2的電流與 BEV 成正比 222 RVI EB? () 由基爾霍夫定律得 221213 ln RVNqRKTIII EB???? () )ln()ln( 1222332 2133 NqKTRRVRRRRVNqRKTRIV EBEBR E F ????? () 調(diào)節(jié)電阻 R R2 的大小 ， 使 REFV 的溫度系數(shù)為零 ， 調(diào)節(jié)電阻 R3 的大小來調(diào)整輸出基準電壓的大小 。 圖 11 BANBA 結(jié)構(gòu)帶隙基準源 (3)LEUNG 結(jié)構(gòu)帶隙基準