畢業(yè)設計最終版高精度cmos帶隙基準源的設計-wenkub.com
2025-08-04 14:45 本頁面
【正文】 衷心感謝百忙之中抽出時間參加論文評閱和論文答辯的各位專家學者，感謝他們?yōu)閷忛啽疚乃冻龅男燎趧趧幼鳛橐粋€電路設計的初學者，我只是完成了一個簡單的基本模塊的設計，還有許多值得探究和思考的方面，所以我還不能以一篇杰出的論文來感謝那些幫助過我的人，只能用我的態(tài)度與決心來表示對他們真誠的謝意。感謝孫彬彬同學、刁亞寧同學以及李超德同學在論文上給予我的幫助，正是有了他們的幫助我的論文才能順利完成。由電路的仿真結果可將基準源的性能概括如下:1）；2）～；3）輸入電壓為5V時，在0℃～100℃范圍內(nèi)，℃；4）基準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)達到80dB；5）啟動時間為700；以上結果表明，該帶隙基準電壓源各項重要的性能指標完全合乎要求，是一種高精度的CMOS帶隙基準電壓源?！妗?00℃的范圍內(nèi),，由公式（ppm/℃）℃，具有良好的溫度特性。可見，加入啟動電路后，帶隙基準源能夠快速、平穩(wěn)的啟動，完全符合設計要求。：常溫下，帶隙基準電壓在整個工作帶寬內(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。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]。 高精度CMOS帶隙基準電壓源的電路仿真模擬電路由于其在性能上的復雜性和電路結構上的多樣性，對仿真工具的精度、可靠性、收斂性以及速度等都有相當高的要求。由于，REF1中的電流小于REF2中的電流，因此。 () ()其中電阻比值并不相等。 快速啟動電路 CMOS帶隙基準電壓源的溫度補償原理由于快速啟動電路的控制電路對基準源的輸出具有溫度補償作用，本電路在沒有任何電路的情況下實現(xiàn)很好的溫度特性， 曲率補償原理電阻網(wǎng)絡中A，B兩點電壓分別是和，與分別是兩個溫度特性曲線不一樣的帶隙基準源輸出。節(jié)點REF處的平衡電壓為： ()如前面所描述的差分電流產(chǎn)生原理，當偏離平衡值，、兩條支路產(chǎn)生差分電流，是和平衡電壓之差，1）當時，2）當時，3）當時，當時，隨著的增加，增大，也增大，由于提供的偏置電流不變，隨著的增大，將驅動的漏極增大，達到反相器的門限電壓，輸出為低電平從而關斷啟動電路。在具體電路中需要給快速啟動電路的控制電路提供精度較高而且略低于基準電壓的門限。為了避免開啟延時，需要設計一個快速啟動電路給電容提供大電流充電，另外還需要增加一個控制電路，當電路輸出達到預定值時，控制電路關斷快速啟動電路，切斷充電電流，減小電路功耗。除了改善PSRR，RC濾波器也可以減少噪聲。 RC濾波器，為了改善輸出基準電壓在高頻段抑制電源紋波和減少輸出噪聲，可以在基準電壓輸出加RC濾波器。例如VREF升高，IEQN7IEQN6，導致IBQP5升高，ICQP5也隨之升高，迫使N15的漏極電壓增高，即P8的柵極電壓增高，從而使IP8減小，流過RR15的電流減小，VREF也隨之減小。為了避免放大器的缺陷，本文采用內(nèi)部負反饋電路來提高VREF在低頻時的電源抑制比。它們的VBE電壓之差加在電阻，由下式求出： ()電阻R1中流過的電流是QN6和QN7的電流之和，兩管電流相等，所以流過R1的電流是R2的兩倍，流過R2的電流IN7為： () () ()基準電壓值的輸出值呈現(xiàn)QN6和QN7的基極上，它等于QN6的VBE與VR1之和。 帶隙基準源的實際電路圖 核心電路本電路的核心電路使用兩管式的帶隙基準電壓源。目前，實現(xiàn)高精度的帶隙基準源主要會遇到兩個難點：1）現(xiàn)有的技術只能提高帶隙基準源在低頻時的電源抑制比，基準源在高頻時的電源抑制比比較差；2）由第二章的內(nèi)容可知，對進行高階補償可實現(xiàn)良好的溫度特性，但這卻以增加電路復雜性和提高成本為代價，性能與成本之間的矛盾很難解決[9]。本章小結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構，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構比較復雜，β非線性曲率補償基準電壓源對工藝要求非?？量?，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構簡單，功耗小，性能良好等優(yōu)點。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。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)哪康摹７蔷€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。 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]。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。如果再考慮的溫度變化，VBE溫度系數(shù)的表達式將更為復雜，所以考慮通過別的方法來研究VBE的確切表達式。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]。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。式中第一項具有負的溫度系數(shù)，第二項具有正的溫度系數(shù)，合理地設置R1，R2，R3，IS1和IS2的值，就可使正、負溫度系數(shù)相互抵消，從而實現(xiàn)零溫度漂移。當T=時，其中是硅在溫度時的帶隙勢壘。 與補償原理早在1964年人們就認識到，如果兩個雙極晶體管在不相等的電流密度下工作，那么它們的基極發(fā)射極電壓的差值就與絕對溫度成正比。 帶隙基準電壓源的基本原理。由于建立在非表面的帶隙原理上，因此比齊納二極管更穩(wěn)定。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。 齊納二極管構成的電壓基準源 () ()是擊穿二極管在擊穿點Q（）的小信號阻抗。通過以上的分析，為了能設計出簡單的基準電壓源，人們設計出了有源器件與電阻串聯(lián)組成的基準電壓源。 (a)采用電
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