【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 F R E F D DV D D D D D D R E FV V V VS V V V V??? ? ?VREFVDDR10M1 10 圖 電阻與雙極型器件串聯(lián)組成的基準(zhǔn)電壓源 在圖 中，通過(guò)題意計(jì)算得出： () () 齊納二極管優(yōu)化工作在反偏擊穿區(qū)域，因?yàn)樗膿舸╇妷合鄬?duì)比較穩(wěn)定，因此，可 以通 由齊納二極管構(gòu)成的電壓型基準(zhǔn)源 ? ?12 D D R E FR E F G S TVVV V V R? ?? ? ?11 ()1 ( )REFDDV DDVR E F T R E FVS V V R V???? ??????VREFVDDR1D00VREFR10VDDQ1 11 過(guò)一定的反向電流來(lái)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)源。當(dāng)齊納二極管工作在反向偏置狀態(tài)下， 圖外界提供穩(wěn)定的電壓，則流過(guò)它的電流就是穩(wěn)定的，而且隨著電壓的增加，電流會(huì)迅速增大。齊納基準(zhǔn)源的最大好處是可以得到很寬的電壓范圍， 2V到 200V。它們還具有很寬范圍的功率，從幾個(gè)毫瓦到幾瓦。因此這種基準(zhǔn)的電壓源必須要提供恒定的電流才能保證其穩(wěn)定的工作。具體如圖 。 然而對(duì)于這種由齊納二極管組成的電壓基準(zhǔn)源，現(xiàn)在運(yùn)用的卻越來(lái)越少 ,盡管有其很多優(yōu)點(diǎn)，比如：輸入的電壓范圍很寬，精確度優(yōu)于 1%。但是缺點(diǎn)也非常的突出，如：靜態(tài)電流較大（ 1 到 10mA），它適合于對(duì)功耗要求不是很嚴(yán)格的應(yīng)用電路：其次精度低，電流只能流入，而且壓差大，噪聲大，輸出基準(zhǔn)電壓對(duì)電流和溫度的依賴性較大。 雙極型三管能隙基準(zhǔn)源 下圖為雙極型三管能隙基準(zhǔn)源電路 : 圖 三管能隙基準(zhǔn)源 圖中的 T1， T2， R1， R2， R3 組成的恒流源，因?yàn)?NPN管的放大系數(shù)很大，因此基 極電流Ib 可以忽略。我們由圖可以得到： （ ） R31kQb rea k NQ1V C CQb rea k NQ2R11kI10 Ad cQb rea k NQ3R21kBEBEBE VVVRI ???? 2132 12 因此， （ ） 根據(jù)題意得基準(zhǔn)電壓的輸出公式： （ ） 其中， （ ） 式中， I 是代表發(fā)射極電流， A 是有效的發(fā)射結(jié)面積， J是發(fā)射極電流密度，由上面的兩個(gè)式子可以推導(dǎo)出： （ ） 由上式可知：利用等效熱電壓的 Vt 正溫度系數(shù)可以和 Vbe 的負(fù)溫度系數(shù)相互補(bǔ)償，使得輸出的基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)接近為 0。 由文獻(xiàn)可知： （ ） 上式中的 0gV =，是溫度在 0K 時(shí)候的硅外推能隙電壓。 n為常數(shù)，它的值與晶體管的制作工藝有關(guān)，對(duì)于集成電路的雙極型擴(kuò)散晶體管， n=~ 2； 0T 為參考溫度。假設(shè) 32RR ， 21 JJ 與溫度無(wú)關(guān)，那么令 0TT? 時(shí)的基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)為 0，即0??? TVREF ， 求得在參考溫度 0T 附近的時(shí)候，基準(zhǔn)電壓和溫度的關(guān)系。 將式（ ）代入式（ ）中，并令其 0??? TVREF ， 可得： （ ） 實(shí)際上， 于是， （ ） BEVRRRIV ??? 32222BEBEREF VRRVV ??? 32212211lnln JJqkTAIAIqkTVEEEEBE ???21322132 lnln JJVRRVJJqkTRRVV tBEBER E F ????TTqnk TTTVTTVTV BEgoIcBE 0000 ln)()1()( ????? 常數(shù)21032 ln0 JJqkTRRVV R E FTTR E F ???,00 gVqnkT ??00 gTTREF VV ?? 13 通過(guò)以上分析，這說(shuō)明了在選定的參考溫度下，只要適 當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì) 32 RR 21 JJ 即可使得在該溫度下基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近為 0。由于溫度系數(shù)為 0的基準(zhǔn)電壓，其值接近材料的能隙電壓， 0gV 稱其為能隙基準(zhǔn)。 假設(shè)兩個(gè)管子的幾何尺寸相同，晶體管的放大系數(shù)也較大，則 ，由圖可知， （ ） 因此，把 2211 RIRI ? 代入式（ ）得 （ ） 在工藝上， Vbe 的值和電阻的值容易控制，因此在此類電源的輸出基準(zhǔn)電壓可以調(diào)得較準(zhǔn)。 雙極型二管能隙基準(zhǔn)源 以上的三管的能隙基準(zhǔn)源輸出是 0gV 整數(shù)倍的基準(zhǔn)電壓， 但是要求輸出電壓不是 0gV的整數(shù)倍時(shí)候，可用二管能隙基準(zhǔn)源，下圖為兩管的能隙基準(zhǔn)源電路圖： 圖 兩管能隙基準(zhǔn)源 其中 T T4 為 PNP 恒流源，作為 T T2 管集電極的有源負(fù)載，假設(shè)： （ ） 322111 BER E FBE VRIVVRI ????qkTnVRRqkTRRVV gBETTREF 0012320 ln0 ?????Q b rea k NT1R11kQ b rea k PT4Q b rea k NT2V C CR21kQ b rea k PT3qkTnVV goREF 0??pIIIIII EECCCC ??? 212143212121 IIIIJJEE ?? 14 由圖可知， （ ） 因此， （ ） 與上述分析的三管能隙基準(zhǔn)源相類似，令 0??? TVREF 可以得到： （ ） 因此，可以通過(guò)控制發(fā)射極的有效面積比： 21 EE AA 或者 43 EE AA 及電阻之比來(lái)獲得接近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源。 （ ） 對(duì)于（ ）式，我們可以得到，對(duì)其控制相對(duì)容易些，而且控制精度也 較高，所以只需要一個(gè)精確的修正電阻值（用離子注入電阻改變注入量，或者用金屬膜電阻，并且采用激光修正阻值的工藝）即可精確控制基準(zhǔn)電壓 REFV 的值。 例如 p取值為 1， 21 EE AA 為 10， R2為 10K， R1 為 2K，設(shè) BEV =，則 REFV 為 。 VBE的溫度特性 NPN 型的雙極型管子，基極與射極的電壓 BEV 可以表示為： （ ） 在這個(gè)式中， TV 是熱電壓，即qkTVT?， K是波爾茲曼常數(shù)， q為電子的電荷， Ic是集電極電流， Is 是晶體管的飽和電流，其與器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，它的表達(dá)式為： （ ） A為基極與射極的結(jié)面積， in 是硅的本證載流子濃度， nD 是基區(qū)的電子擴(kuò)散常數(shù)的平均有效值， BQ 是單位面積基區(qū)的總摻雜濃度。 根據(jù)愛(ài)因斯坦公式，nn DkTqu ?和本證載流子與溫度的關(guān)系，可以得到： 2112122212 ln)1()1()( JJqkTRRpRVRpRIIV BEEER ???????21122 ln)1( JJqkTRRpVVVV BERBEREF ?????qkTnVJJqkTRRpVV gBETTR E F 00210120 ln)1(0 ??????43432121 , EEEEEEEE LLAALLAA ??)ln( scTBE IIVV ?BniS Q DqAnI 2? 15 （ ） （ ） 其中， nu 是基區(qū)的平均電子遷移率， C、 D、 n 是與溫度無(wú)關(guān)的常量， 0gV 是稱為材料的能隙電壓。由文獻(xiàn)可知， （ ） 式中的 0gV =，是溫度為 0K 時(shí)的硅的外推能隙電壓； n為常數(shù)，它的值與晶體管的制作工藝有關(guān)，對(duì)于集成電路中的雙型擴(kuò)散管， n=， To為參考溫度。 對(duì)溫度不敏感的偏置 BEV 與熱電壓基準(zhǔn)源電路有很高的輸出電流溫度系數(shù)。盡管在熱電壓的基準(zhǔn)電路中，溫度靈敏度已經(jīng)被顯著的減少了，但是它的溫度系數(shù)在很多的應(yīng)用場(chǎng)合還顯得不是足夠的低。因此，必須要盡可能找出實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)偏置電路的方法。 分別以 BEV 和熱電壓 TV 為基準(zhǔn)的偏置電壓源，它們會(huì)有相反的 FTC 。因此，輸出的電流就有可能以 BEV 和 TV 的某些復(fù)合電壓作為基準(zhǔn)源。如果選擇了某種適當(dāng)?shù)膹?fù)合方式，那么久可以使得輸出溫度系數(shù)為 0。 目前，都會(huì)進(jìn)行討論偏置源是怎么獲得低溫度系數(shù)的電流。然而，在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)， 經(jīng)常要低的溫度系數(shù)的電壓偏置或者基準(zhǔn)電壓源。穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓就是一個(gè)很好的范例。溫度系數(shù)被用來(lái)在基準(zhǔn)電壓中可以補(bǔ)償產(chǎn)生輸出電流的電阻的溫度系數(shù)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們?cè)谙旅嬗嘘P(guān)于帶隙基準(zhǔn)源的討論中，對(duì)象則是低溫度系數(shù)的電壓源。 如下圖設(shè)想的帶隙基準(zhǔn)源電路： nCTu ??)e x p ( 032 Tgi VVDTn ??TTqnk TTTVTTVTV BEgIcBE 00000 ln)()1()( ????? 常數(shù) 16 圖 帶隙基準(zhǔn)源基本原理圖 它的輸出電壓為 )(onBEV 加上 M（常數(shù)）倍的熱電壓 TV 。為了使 M 的值確定，則必須確定 )(onBEV 的溫度系數(shù)。通常基極電流忽略不計(jì)，那么有 （ ） 其中，飽和電流 sI 與器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且滿足公式 （ ） 其中， in 是硅的內(nèi)部少數(shù)載流子濃度， BQ 是基極每單位面積的摻雜濃度， n? 是基極平均電子遷移率， A 是發(fā)射極的面積， T 代表溫度。常數(shù) B 和 39。B 代表和溫度無(wú)關(guān)的獨(dú)立參數(shù)。利用愛(ài)因斯 坦公式可得， nnquDKT? （ ） 可以將 sI 用 n? 和 2in 描述的表達(dá)式。式（ ）中和溫度有關(guān)的量滿足下列關(guān)系式： （ ） V TG a n a r a