畢業(yè)設(shè)計最終版高精度cmos帶隙基準源的設(shè)計(編輯修改稿)
2024-09-03 14:45 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 壓比較高，而且難以保證電流比不隨溫度變化[4]。2）Brokaw帶隙基準源，該電路結(jié)構(gòu)的負反饋環(huán)使用了運放以減小兩個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，也可實現(xiàn)正負溫度系數(shù)相互抵消。與Widlar帶隙基準源的表達式（）相比，在對數(shù)項中的比不存在，需要調(diào)整的參量變少，同時與電源電壓無關(guān)，所以基準源的精度就提高了。Brokaw電路結(jié)構(gòu)的缺點是電源抑制比不高且功耗較大。 Brokaw帶隙基準源3)使用橫向BJT的CMOS帶隙基準源 ()由于電流鏡的鏡象而使，則有 ()此電路結(jié)構(gòu)的缺點是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源一個很重要的參數(shù)，它的溫度特性在帶隙基準源中扮演著很重要的角色，因此下一節(jié)將要詳細分析的溫度特性和精密補償?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為外推到絕對溫度零度時硅的能隙電壓，則IS可表示為: () 式中B是與溫度無關(guān)的量。將VBE對T取導(dǎo)數(shù)，由于IC很可能是溫度的函數(shù)，為了簡化分析，暫時假設(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的確切表達式。為了精確分析VBE，必須找出以前使用的VBE表達式中不精確的原因，加以改進。首先，的表示式不精確，它的精確表達式應(yīng)該: ()式中為在溫度T時硅的能隙電壓，E是與溫度無關(guān)的量。 帶隙電壓隨絕對溫度的變化及其一階近似，在常溫下，可以把簡化為隨溫度變化的線性函數(shù)，這是因為在這個工作范圍內(nèi)比較符合的實際變化曲線，所以: ()式中，將上式代入的精確表達式中，則 ()與常用表達式比較可知，常數(shù), 就是。但是，,并不是唯一的，它會隨著變化，而且在低溫下隨溫度變化的非線性越來越嚴重，這時用線性函數(shù)描述它已經(jīng)很不精確。同時注意到，也會隨著變化，只是在常溫下變化很小，才將其近似認為是一個常數(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絕對溫度的變化將式()至()代入()式，得到VBE的精確表達式 ()。 帶隙基準源的曲率校正方法帶隙基準源輸出電壓的校正，一般是通過一個矯正電壓消除或減少VBE溫度系數(shù)的影響來實現(xiàn)的，即: （）矯正的方法包括線性補償和高階補償，線性補償可以滿足一般精度要求，高階補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，就是線性補償，即 ()則 ()線性補償后，基準源輸出電壓中的高階項始終存在，仍然影響輸出電壓的精度。如果能夠?qū)⑵渲械母唠A項消除，則基準源輸出電壓的溫度穩(wěn)定性進一步提高。目前，人們已經(jīng)提出了很多行之有效的非線性的補償方法，下面介紹常見的幾種[8]。非線性曲率補償主要有VBE環(huán)路曲率補償，β非線性曲率補償，利用不同材料電阻的相異溫度特性進行曲率校正。1) 環(huán)路曲率補償?shù)幕鶞孰妷涸? ()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)缺點是過于復(fù)雜，且CMOS標準工藝無法制作出高性能的NPN晶體管。 VBE環(huán)路曲率補償?shù)碾娐穲D2)β非線性曲率補償基準電壓源， β非線性曲率補償?shù)幕鶞孰妷涸? () 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 ()本基準電路的缺點是電源電壓不能太低，而且在CMOS標準工藝中制造的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)溫度的非線性項為，因此可以泰勒展開為如下形式: ()利用兩個溫度系數(shù)相異電阻的比值，可以得到與T有關(guān)的高階項，這樣就可以用來消除中的高階項，達到曲率補償?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，因此其比值會隨著溫度的變化而變化。由于，在0℃100℃范圍內(nèi)，可以認為，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)，為負值。由式()可知調(diào)整以及 就可做到完全消去一次項和二次項，但不能保證更高階項的完全消除。當然，雖然不能完全消去各高階項，但是由于不同材料電阻的正負溫度特性，也能夠大大削弱這些項所引起的誤差。顯然，不同材料電阻的溫度系數(shù)正負差異越大，那么曲率補償?shù)男Ч驮胶谩１菊滦〗Y(jié)本章介紹了直接采用電阻和管分壓的基準電壓源，有源器件與電阻組成的基準電壓源，在分析與絕對溫度正比的電壓和負溫度系數(shù)電壓之后，介紹了帶隙基準電壓源的各種結(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帶隙基準源電源抑制比比較高，功耗較大，使用橫向BJT的CMOS帶隙基準源受電源電壓的影響比較大；線性補償型帶隙基準電壓源用于對精度要求不是很高的電路中，非線性曲率補償型帶隙基準源適用在要求高精度的電路中，環(huán)路曲率補償?shù)幕鶞孰妷涸吹碾娐方Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，β非線性曲率補償基準電壓源對工藝要求非常苛刻，利用不同材料電阻的相異溫度特性進行曲率校正的電壓源結(jié)構(gòu)簡單，功耗小，性能良好等優(yōu)點。 3.
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