【正文】 .............................................................................................................. 42 5 1. 緒 論 基準電壓源（ Reference Voltage）是指在模擬電路、混合信號電路中用作電壓基準的參考電壓源 ,它具有很多的優(yōu)點，典型的是相對較高的精度和穩(wěn)定度。仿真分析的類型主要有直流工作點分析，交流分析，傅里葉分析，噪聲分析，噪聲系數(shù)分析，失真分析，直流掃描分析，靈敏度分析，參數(shù)掃描分析，溫度掃描分析等。然后詳細 介紹 基準電壓源電路的基本結(jié)構(gòu)以及基本的原理，并對幾種不同的雙極型基準電壓源電路做以簡單的 介紹 。本文的目的是基于雙極晶體管基準源的 TL431 可調(diào)穩(wěn)壓器集成電路的仿真與分析。該系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于內(nèi)部或外部的基準精度。我們所說的參考電壓源，就是能夠提供高穩(wěn)定性的基準電源的電路，它們之間的參考電壓和電源，工藝參數(shù)，溫度的變化關(guān)系是非常小的。 1 摘 要 參考電壓源 電路 是 模擬集成電路及電氣電子設(shè)備的基本組成單元。 一個應用廣泛的基本 電路 。然而，它的溫度穩(wěn)定性和抗噪聲性能夠影響到整個電路系統(tǒng)。如果沒有一個滿足要求的參考電路，它不就能正確和有效的實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的性能。 本文首先 介紹 了基準電壓源的國內(nèi)外發(fā) 展現(xiàn)狀以及趨勢。其次對電路仿真軟件進行 介紹 ，最后運用電路仿真軟件 specture 對 TL431 串聯(lián)集成穩(wěn)壓基準電路進行仿真并詳細分析其結(jié)果。 仿真 分析 結(jié)果顯示，基準電壓源電路具有較高的穩(wěn)定性， 電壓源的直流輸出電平比較穩(wěn)定， 而且這個直流電平對電源電壓和溫度不敏感。它的穩(wěn)定性和抗噪聲性會影響到整個電路系統(tǒng)的精度和性能?；鶞试词请娮与娐分胁豢苫蛉钡囊徊糠?，因此性能優(yōu)良的基準源是一切電子系統(tǒng)設(shè)計最基本的和最關(guān)鍵的要求。無論是電壓基準還是電流基準都要BEBEBE VVVRI ???? 2132 以求輸出特性必須達到穩(wěn)定，包括較高的電源電壓抑制比、較低的溫度系數(shù)，以及良好的負載特性和工藝無關(guān)性。然而，通常在實際的電路中，這種情況是不可能實現(xiàn)的。從電路技術(shù)上的方法上，有多個實現(xiàn)途徑。為了能夠滿足高性能的電路對電壓基準電路的要求，因此可以采用帶隙基準的原理來得到。其中，基準電壓源是電壓穩(wěn)壓器中所必 備的一個電路單元，它是 DC— DC 轉(zhuǎn)換器中不可或缺的單元組成部分，在各種要求較高精確度的電壓表、歐姆表、電流表等儀器里都需要穩(wěn)定的電壓基準源。我們所說的參考電壓源，就是能夠提供高穩(wěn)定性的基準電源的電路，它們之間的參考電壓和電源，工藝參數(shù)，溫度的變化關(guān)系是非常小的。該系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于內(nèi)部或外部的基準精度。 雙極型工藝是集成電路最先發(fā)展起來的先進工藝，因此以雙極性型工藝制作出來的電壓或者電流基準已經(jīng)達到了很高的性能和精度。 90 年代以后， COMS 憑借它的低功耗、高集成度，較好的穩(wěn)定性等特性逐漸占領(lǐng)了數(shù)字電子產(chǎn)品市場?；鶞孰妷涸丛陔娐废到y(tǒng)其中的技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)在這幾個方面： 1） 低溫度系數(shù)的基準電壓源：在要求精度高的應用 場合中，低溫度系數(shù)的基準電壓源就尤為關(guān)鍵了。在設(shè)計低溫度系數(shù)的基準電壓源時，一般必須進行高階的溫度補償。 2） 低電壓工作的基準電壓源： SOC(Signal Operation Control)主流工藝是 CMOS 工藝 ,目前， 5V()、 ()、 ()、 ()、 ()、()等基準的電源電壓已經(jīng)得到廣泛的使用。因為帶隙基準電壓在 左右，所以一般的帶隙基準源的工作電壓至少會在 以上。采用這些電路結(jié)構(gòu)后主要的工作電壓限制通常來自于運放的工作電壓，并且最終受限于 MOS 管的閾值電壓。然而，對于電源電壓低于 的電壓基準必須要采用特殊的電路結(jié)構(gòu)。另外，采用反饋調(diào)節(jié)回路和調(diào)節(jié)電流的模式就可以得到低電壓的帶隙基準電壓源電路。作為集成電路的一個基本單元電路，低功耗也是基準電壓源研究方向的一個重要方向。因此，低功耗設(shè)計對于依靠電源工作的便攜式設(shè)備具有非常重要的意義。采用浮柵的 MOS 器件，也可以降低電路的功耗，但是這與標準的 CMOS 工藝技術(shù)并不相兼容，成本比較高。電源抑制比性能參數(shù)成為了基準源電路在高頻和 7 數(shù)模混合電路中的一個重要衡量指標。 在混合電路中，電壓基準源應該在較寬的范圍內(nèi)具有良好的電源抑制比 特性，在有些設(shè)計中會使用運放結(jié)構(gòu)的帶隙基準技術(shù)。然而，使用無運放結(jié)構(gòu)的負反饋帶隙基準，在 1KHz 的 PSRR 為 90dB，在 1MHz 時的 PSRR 為 30dB。但是齊納二極管的擊穿電壓一般比所使用的電壓源電壓大，因此已過時，不再使用。維德拉在 20世紀 70 年代初，首次提出了帶隙基準電壓源的概念和基本設(shè)計理念?，F(xiàn)在有帶隙電壓基準 IC 已被廣泛使用在軍事裝備領(lǐng)域，通訊設(shè)備，汽車電子，工業(yè)自動化控制和消費電子產(chǎn)品。 TL431 是一種可調(diào)式的精密穩(wěn)壓集成電路，在功能上相當于一只低溫可變的穩(wěn)壓二 極管。我們利用 TL431 的這一特性，可以在數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源、電源保護和運算放大等電路中，設(shè)計出很多的獨特電路。本文的主要內(nèi)容有： 1） 介紹基準源電壓電路研究的基本 現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢以及本課題研究的目的意義； 2） 介紹 偏置電壓源和基準電壓源電路的分類； 3） 介紹 TL431 的基本工作原理以及應用電路； 4） 對 TL431 集成電路的模擬仿真分析，并進行參數(shù)等的優(yōu)化分析。在集成電路內(nèi)部經(jīng)常需要高質(zhì)量的內(nèi)部穩(wěn)壓源，以提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準電壓。 在集成電路中，與電源電壓無關(guān)的常 用標準電壓有以下三類： （ 1） BE 結(jié)二極管的正向壓降 Vbe， Vbe= ~ V，它的溫度系數(shù) 。 直接采用電阻和管分壓的基準電壓源 如下圖的 基準電壓源，它是最基本的也是最簡單的基準電壓源。 對于圖 （ b），根據(jù)題意有， （ ） 其中 , PoxPP LWC )(?? ? ， NoxNN LWC )(?? ? , PLW( 和 NLW )( 分別代表 PMOS 管的寬長比， NMOS 的寬長比。 有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準電壓 源 通過對以上情況的分析，為了能夠設(shè)計出簡單的基準電壓源，因此設(shè)計出了有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準電壓源，如下圖所示。當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，則流過它的電流就是穩(wěn)定的，而且隨著電壓的增加，電流會迅速增大。它們還具有很寬范圍的功率，從幾個毫瓦到幾瓦。具體如圖 。但是缺點也非常的突出，如：靜態(tài)電流較大（ 1 到 10mA），它適合于對功耗要求不是很嚴格的應用電路：其次精度低，電流只能流入，而且壓差大，噪聲大，輸出基準電壓對電流和溫度的依賴性較大。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，由上面的兩個式子可以推導出： （ ） 由上式可知：利用等效熱電壓的 Vt 正溫度系數(shù)可以和 Vbe 的負溫度系數(shù)相互補償，使得輸出的基準電壓溫度系數(shù)接近為 0。 n為常數(shù)，它的值與晶體管的制作工藝有關(guān)，對于集成電路的雙極型擴散晶體管， n=~ 2； 0T 為參考溫度。 將式（ ）代入式（ ）中，并令其 0??? TVREF ， 可得： （ ） 實際上， 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 通過以上分析，這說明了在選定的參考溫度下，只要適 當?shù)脑O(shè)計 32 RR 21 JJ 即可使得在該溫度下基準電壓的溫度系數(shù)接近為 0。 假設(shè)兩個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電壓可以調(diào)得較準。 （ ） 對于（ ）式，我們可以得到，對其控制相對容易些，而且控制精度也 較高，所以只需要一個精確的修正電阻值（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）即可精確控制基準電壓 REFV 的值。 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。由文獻可知， （ ） 式中的 0gV =，是溫度為 0K 時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)，對于集成電路中的雙型擴散管， n=， To為參考溫度。盡管在熱電壓的基準電路中，溫度靈敏度已經(jīng)被顯著的減少了，但是它的溫度系數(shù)在很多的應用場合還顯得不是足夠的低。 分別以 BEV 和熱電壓 TV 為基準的偏置電壓源，它們會有相反的 FTC 。如果選擇了某種適當?shù)膹秃戏绞?，那么久可以使得輸出溫度系?shù)為 0。然而，在實際的應用時， 經(jīng)常要低的溫度系數(shù)的電壓偏置或者基準電壓源。溫度系數(shù)被用來在基準電壓中可以補償產(chǎn)生輸出電流的電阻的溫度系數(shù)。 如下圖設(shè)想的帶隙基準源電路： 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 。通?；鶚O電流忽略不計，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