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畢業(yè)設(shè)計(jì)—高精度cmos帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)-資料下載頁

2024-12-01 16:53本頁面

【導(dǎo)讀】基準(zhǔn)電壓源是模擬電路設(shè)計(jì)中廣泛采用的一個(gè)關(guān)鍵的基本模塊。是它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪性能影響著整個(gè)電路系統(tǒng)的精度和性能。本文的目的便是設(shè)。計(jì)一種高精度的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源。本文首先介紹了基準(zhǔn)電壓源的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢。壓源的基本結(jié)構(gòu)及基本原理,并對不同的帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用曲率校正、內(nèi)部負(fù)反饋電路、整模擬仿真并分析了結(jié)果。源抑制比可達(dá)到-80dB,啟動(dòng)時(shí)間為700s?。

  

【正文】 實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償,可謂時(shí)一舉多用。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。 節(jié)點(diǎn) REF 處的平衡電壓為: 1 2 33 1 2 31 1 42 l nNR E F B E Q N R B E Q NNR K T JV V V V R q J? ? ? ? () 如前面所描述的差分電流產(chǎn)生原理,當(dāng) mV 偏離平衡值, 3PQ 、 4PQ 兩條支路產(chǎn)生差分電流, v? 是 mV 和平衡電壓之差, 1) 當(dāng) 0v?? 時(shí), 43EQn EQnII? 2)當(dāng) 0v?? 時(shí), 43EQn EQnII? 3)當(dāng) 0v?? 時(shí), 43EQn EQnII? 當(dāng) 0v?? 時(shí),隨著 v? 的增加, 1BQpI 增大, 1CQpI 也增大,由于 6N 提供的偏置電流不變,隨著 1CQpI 的增大,將驅(qū)動(dòng) 6N 的漏極增大,達(dá)到反相器的門限電壓,輸出為低電平從而關(guān)斷啟動(dòng)電路。同理,當(dāng) 0v?? 時(shí),反相器輸出高電平 ,開啟電路給電容充電。 考慮到比較器存在延時(shí)和充電電流過大,有可能存在過充的現(xiàn)象,所以門限電壓為略低于基準(zhǔn)電壓。 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,開始對電容 2C 充電;當(dāng)快速啟動(dòng)電路的控制電路檢測到電容 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。 N 4 2R 2 0c o n t ro lP8N3R 3 2V R E FP9N 4 1I B I A SS t a rt u pC2 圖 快速啟動(dòng)電路 CMOS 帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度補(bǔ)償原理 由于快速啟動(dòng)電路的控制電路對基準(zhǔn)源的輸出具有溫度補(bǔ)償作用,本電路在沒有任何電路的情況下實(shí)現(xiàn)很好的溫度特性 , 其工作原理如圖 所示 , 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 25 0RAVref 1 ARCVref 2BCRBVref 圖 曲率補(bǔ)償原理 電阻網(wǎng)絡(luò)中 A, B 兩點(diǎn)電壓分別是 1REFV 和 2REFV , 1REFV 與 2REFV 分別是兩個(gè)溫度特性曲線不一樣的帶隙基準(zhǔn)源輸出,其溫度特性曲線如圖 中 1ref 和 2ref 所示。 1REFV 和2REFV 都只是經(jīng)過一階補(bǔ)償所得的結(jié)果,曲率較陡。通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié) AR 和 BR (一般選取AR = BR ),使電阻網(wǎng)絡(luò)中的 C 點(diǎn)處的電壓為[14]: 122 1 2R E F R E F B BC R E F R E F B R E F R E FA B A B A BV V R RV V V R V VR R R R R R?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? 121122REF REFVV?? () 由 式 ()知, 1REFV 與 2REFV 相互補(bǔ)償,可見 CV 的溫度特性曲線在大溫度范圍內(nèi)保持平滑。 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。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 26 21 1l n 8TR E F b eRVVV R?? () 112 12ln 8TREF be RVVV R?? () 其中電阻比值并不相等, 2 1 11 12//R R R R? 。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。 由前面的分析可知 BEV 如表達(dá)式 如下: ln CBE T SIVVI? BEV 式所示 對溫度求導(dǎo) : ( ) ( ) ( ) ( ) l n ( )( 4 )B E G b e r G r rrV T V T V T V T k T TnT T T q? ? ?? ? ? ??? l n [ ( ) / ( )] ( )( 4 )()C C r CCk k I T I T kT I Tn q q q I T T?? ? ? ? ? () 從 式 ()可知 , ()BEVTT? ? 是隨偏置電流 CI 的變化而變化的。當(dāng)偏置電流 CI 變小, ()BEVTT? ?變大,反 之, CI 變大, ()BEVTT? ? 變小。由于 1 12RR? , REF1 中的電流 1CI 小于 REF2 中的電流 2CI ,因此 12( ) ( )BE BEV T V TTT?????。將 ()和 ()式對溫度求導(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。 現(xiàn)在來估算 1REFV 的零點(diǎn)溫度系數(shù) 1rT 。 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。 高精度 CMOS 帶隙基準(zhǔn) 電壓 源的電路仿真 仿真工具的介紹 模擬電路由于其在性能上的復(fù)雜性和電路結(jié)構(gòu)上的多樣性,對仿真工具的精度、可靠性、收斂性以及速度等都有相當(dāng)高的要求。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。其中以美國原 Meta Software 公司的 HSPICE 和 Micro Sim 公司的 PSPICE 最為流行。 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。采用 HSPICE 可從直流到大于 100GHZ的微波范圍內(nèi)對電路作精確的模擬、分析 [15]。 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。由圖 可以看出: 常溫下,核心電路的 仿真曲線 在 3V 以后 變得平緩,輸出電壓在 ~ ,但是這個(gè)精確度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們的設(shè)計(jì)要求,所以還需要對電路作更進(jìn)一步的完善。 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。 由圖 可以看出 : 常溫下, 帶隙 基準(zhǔn)電壓在整個(gè)工作帶寬內(nèi)都具有很高 的電源抑制比,尤其是高頻區(qū)域有了很明顯的提高。在 1MHZ 時(shí),基準(zhǔn)電壓的電源抑制比都在 80dB 以下 。 圖 基準(zhǔn)源的電源抑制比曲線 快速啟動(dòng)電路 的 仿真結(jié)果 圖 是帶有快速啟動(dòng)電路的啟動(dòng)時(shí)間特性曲線,其工作條件是 電源電壓為 5V,溫度為 25℃ 。 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??梢?,加入啟動(dòng)電路后,帶隙基準(zhǔn)源 能夠快速、平穩(wěn)的啟動(dòng),完全符合 設(shè)計(jì)要求。 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 。由圖 可以看出,電源電壓在 ~ 范圍內(nèi)變化時(shí),基準(zhǔn)源輸出電壓小于,幾乎保持不變,因此基準(zhǔn)源具有良好的 穩(wěn)定性。 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 可以看出在 0℃ ~ 100℃ 的 范圍內(nèi) ,基準(zhǔn)電壓的輸出變化 小于 , 由 公式6m ax m inm ax m in 10()m ea nVVT V T T????( ppm/℃ ) 得到其 相對溫度系數(shù)為 ℃ ,具有良好的溫度特性。 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 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 。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 32 結(jié) 論 基準(zhǔn)電壓源廣泛應(yīng)用于 各種集成電路中,其精度和穩(wěn)定性直接影響著整個(gè)系 統(tǒng)的性能,在生活 中對基準(zhǔn)源的功耗、電源抑制比、工作電壓等方面 都 有較高的要求。 本文通過對 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 。 由電路的 仿真結(jié)果可將基準(zhǔn)源的性能 概括如下 : 1) 產(chǎn) 生 基準(zhǔn)電壓 ; 2) 電壓范圍 ~ 內(nèi) 基準(zhǔn)源 變化小于 ; 3) 輸入電壓 為 5V 時(shí),在 0℃ ~ 100℃ 范圍內(nèi),溫度系數(shù)可以達(dá)到 ℃ ; 4) 基準(zhǔn) 源 有較高的電源抑制比,在 1HZ到 10MHZ范圍內(nèi),平均電源抑制比( PSRR)已經(jīng)達(dá)到 80dB; 5) 啟動(dòng)時(shí)間為 700 s? ; 以上結(jié)果表明,該帶隙 基準(zhǔn)電壓源各項(xiàng)重要的性能指標(biāo)完全合乎 要求,是一種 高精度 的 CMOS 帶隙基準(zhǔn) 電壓 源。
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