畢業(yè)設(shè)計(jì)最終版高精度cmos帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2024-09-03 14:45 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓比較高，而且難以保證電流比不隨溫度變化[4]。2）Brokaw帶隙基準(zhǔn)源，該電路結(jié)構(gòu)的負(fù)反饋環(huán)使用了運(yùn)放以減小兩個(gè)支路電流比值的溫漂[4]。,和的發(fā)射極面積之比為N，輸出電壓可表示為： ()假定集電極電阻和完全相同，由于運(yùn)算放大器輸入端“虛短”，和的集電極電流就相等。電阻R2上的壓降等于和的發(fā)射極電壓差，因此輸出電壓又可以表示為： ()從式()可以看出，通過選擇合適的N值及和的比值，也可實(shí)現(xiàn)正負(fù)溫度系數(shù)相互抵消。與Widlar帶隙基準(zhǔn)源的表達(dá)式（）相比，在對(duì)數(shù)項(xiàng)中的比不存在，需要調(diào)整的參量變少，同時(shí)與電源電壓無關(guān)，所以基準(zhǔn)源的精度就提高了。Brokaw電路結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是電源抑制比不高且功耗較大。 Brokaw帶隙基準(zhǔn)源3)使用橫向BJT的CMOS帶隙基準(zhǔn)源 ()由于電流鏡的鏡象而使，則有 ()此電路結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是VREF受電源電壓的影響比較大。從以上的討論中，我們能看出是帶隙基準(zhǔn)源一個(gè)很重要的參數(shù)，它的溫度特性在帶隙基準(zhǔn)源中扮演著很重要的角色，因此下一節(jié)將要詳細(xì)分析的溫度特性和精密補(bǔ)償?shù)姆椒╗5]。 VBE的溫度特性以NPN雙極型器件為例，其基射結(jié)電壓可以表示為: ()式中，K是波爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷，為集電極電流，為飽和電流，它同器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)，可表示為[6]: ()式中A為基一射結(jié)面積，為硅的本征載流子濃度，為基區(qū)中電子擴(kuò)散常數(shù)的平均有效值，為單位面積基區(qū)總摻雜濃度。利用Einstein關(guān)系式及和與溫度的關(guān)系，即: () ()式中為基區(qū)中平均電子遷移率，C, D, n是與溫度無關(guān)的常量，Vg0為外推到絕對(duì)溫度零度時(shí)硅的能隙電壓，則IS可表示為: () 式中B是與溫度無關(guān)的量。將VBE對(duì)T取導(dǎo)數(shù)，由于IC很可能是溫度的函數(shù)，為了簡(jiǎn)化分析，暫時(shí)假設(shè)IC保持不變，則: ()上式給出了VBE的溫度系數(shù)，從式中可以看出，它與VBE本身的大小以及溫度都有關(guān)系。如果再考慮的溫度變化，VBE溫度系數(shù)的表達(dá)式將更為復(fù)雜，所以考慮通過別的方法來研究VBE的確切表達(dá)式。為了精確分析VBE，必須找出以前使用的VBE表達(dá)式中不精確的原因，加以改進(jìn)。首先，的表示式不精確，它的精確表達(dá)式應(yīng)該: ()式中為在溫度T時(shí)硅的能隙電壓，E是與溫度無關(guān)的量。 帶隙電壓隨絕對(duì)溫度的變化及其一階近似，在常溫下，可以把簡(jiǎn)化為隨溫度變化的線性函數(shù)，這是因?yàn)樵谶@個(gè)工作范圍內(nèi)比較符合的實(shí)際變化曲線，所以: ()式中，將上式代入的精確表達(dá)式中，則 ()與常用表達(dá)式比較可知，常數(shù), 就是。但是，,并不是唯一的，它會(huì)隨著變化，而且在低溫下隨溫度變化的非線性越來越嚴(yán)重，這時(shí)用線性函數(shù)描述它已經(jīng)很不精確。同時(shí)注意到，也會(huì)隨著變化，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。這些就是由于的不精確而導(dǎo)致不精確的原因。 VBE絕對(duì)溫度的變化將式()至()代入()式，得到VBE的精確表達(dá)式 ()。 帶隙基準(zhǔn)源的曲率校正方法帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的校正，一般是通過一個(gè)矯正電壓消除或減少VBE溫度系數(shù)的影響來實(shí)現(xiàn)的，即: （）矯正的方法包括線性補(bǔ)償和高階補(bǔ)償，線性補(bǔ)償可以滿足一般精度要求，高階補(bǔ)償主要用于高精度的要求[7]。如果是關(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 ()則 ()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。如果能夠?qū)⑵渲械母唠A項(xiàng)消除，則基準(zhǔn)源輸出電壓的溫度穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。目前，人們已經(jīng)提出了很多行之有效的非線性的補(bǔ)償方法，下面介紹常見的幾種[8]。非線性曲率補(bǔ)償主要有VBE環(huán)路曲率補(bǔ)償，β非線性曲率補(bǔ)償，利用不同材料電阻的相異溫度特性進(jìn)行曲率校正。1) 環(huán)路曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源, ()其中，，分別是和的集電極電流，是定義的電阻，則： ()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。 VBE環(huán)路曲率補(bǔ)償?shù)碾娐穲D2)β非線性曲率補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓源， β非線性曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源 () 其中A和B是常數(shù)。β與溫度無關(guān)，可表示為也可以表示為，則 ()本基準(zhǔn)電路的缺點(diǎn)是電源電壓不能太低，而且在CMOS標(biāo)準(zhǔn)工藝中制造的PNP管的β的值很難控制。3)利用不同材料電阻的相異溫度特性進(jìn)行曲率校正由前面的分析可知道，中的有關(guān)溫度的非線性項(xiàng)為，因此可以泰勒展開為如下形式: ()利用兩個(gè)溫度系數(shù)相異電阻的比值，可以得到與T有關(guān)的高階項(xiàng)，這樣就可以用來消除中的高階項(xiàng)，達(dá)到曲率補(bǔ)償?shù)哪康?。，、和由P型注入電阻制成其具有正溫度系數(shù)；由高阻多晶硅制成，其具有負(fù)溫度系數(shù)。顯然，可以得到: ()式()中，由于與由同一材料制成，具有相同的溫度系數(shù)，因此其比值與溫度無關(guān)。與采用了不同的材料，因此其比值會(huì)隨著溫度的變化而變化。由于，在0℃100℃范圍內(nèi)，可以認(rèn)為，因此可將其比值泰勒展開為下式: ()將式()帶入式()，可得 ()式()中，是P注入電阻的溫度系數(shù)，為正值； 是多晶硅高阻的溫度系數(shù)，為負(fù)值。由式()可知調(diào)整以及 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。當(dāng)然，雖然不能完全消去各高階項(xiàng)，但是由于不同材料電阻的正負(fù)溫度特性，也能夠大大削弱這些項(xiàng)所引起的誤差。顯然，不同材料電阻的溫度系數(shù)正負(fù)差異越大，那么曲率補(bǔ)償?shù)男Ч驮胶?。本章小結(jié)本章介紹了直接采用電阻和管分壓的基準(zhǔn)電壓源，有源器件與電阻組成的基準(zhǔn)電壓源，在分析與絕對(duì)溫度正比的電壓和負(fù)溫度系數(shù)電壓之后，介紹了帶隙基準(zhǔn)電壓源的各種結(jié)構(gòu)，其中Widlar帶隙基源適用于雙極型工藝或P阱CMOS工藝，Brokaw帶隙基準(zhǔn)源電源抑制比比較高，功耗較大，使用橫向BJT的CMOS帶隙基準(zhǔn)源受電源電壓的影響比較大；線性補(bǔ)償型帶隙基準(zhǔn)電壓源用于對(duì)精度要求不是很高的電路中，非線性曲率補(bǔ)償型帶隙基準(zhǔn)源適用在要求高精度的電路中，環(huán)路曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，β非線性曲率補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓源對(duì)工藝要求非?？量蹋貌煌牧想娮璧南喈悳囟忍匦赃M(jìn)行曲率校正的電壓源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗小，性能良好等優(yōu)點(diǎn)。 3.
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