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一種帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)

摘要:基準(zhǔn)電壓源是在電路系統(tǒng)中為其它功能模塊提供高精度的電壓基準(zhǔn),它是模擬集成電路和混合集成電路中非常重要的模塊。文中主要研究了帶隙基準(zhǔn)基本原理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于折疊插值A(chǔ)DC中粗量化電路部分CMOS帶隙基準(zhǔn)源。最后通過Pspice仿真給出了實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果。關(guān)鍵詞:帶隙基準(zhǔn);頻率補(bǔ)償;溫度系數(shù);Pspice 理想情況下的基準(zhǔn)電流、電壓與電源和溫度變化是不相關(guān)的。在實(shí)際的模擬電路中,許多應(yīng)用都要求提供穩(wěn)定的電流、電壓模塊。所以也要求這些值更加精準(zhǔn)。特別是與溫度關(guān)系很小的電壓、電流基準(zhǔn)在許多電路應(yīng)用中是必不可少的,因?yàn)榇蠖鄶?shù)工藝參數(shù)是隨著溫度變化的,文中對折疊插值型ADC系統(tǒng)中的基準(zhǔn)源單元展開了專門的研究,通過Pspice仿真,設(shè)計(jì)一款基于帶隙電壓參考源。1 基本原理1.1 負(fù)溫度系數(shù)電壓雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓,具有負(fù)的溫度系數(shù)。對于一個雙極性器件,首先根據(jù)容易得到的量來推出溫度系數(shù)的表達(dá)式。對于一個雙極型器件,可以寫出: 從上式中可以看出:在給定溫度T下基極-發(fā)射極電壓的溫度系數(shù)與VBE本身的大小有關(guān)。當(dāng)VBE≈750 mV,T=300℃。1.2 正溫度系數(shù)電壓 VBE的溫度系數(shù)本身與溫度有關(guān),如果正溫度系數(shù)的量表現(xiàn)出一個固定的溫度系數(shù),那么在恒定基準(zhǔn)的產(chǎn)生電路中就會產(chǎn)生誤差。正溫度系數(shù)電壓是由兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下,那么它們的基極-發(fā)射極電壓的偏差就與絕對溫度成正比。如圖1所示,如果兩個同樣的晶體管偏置的集電極電流分別為nIo和Io,并忽略基極電流,那么 這樣,VBE的差值就表現(xiàn)出正溫度系數(shù): 這個溫度系數(shù)與溫度或集電極電流的特性無關(guān)

利用上面得到的正負(fù)溫度系數(shù)的電壓,設(shè)計(jì)屬一個零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)。2 電路設(shè)計(jì)這里運(yùn)算放大器的主要作用: 1)確保兩個雙極型晶體管的發(fā)射極電位相等; 2)為兩個負(fù)載PNP管提供的偏置。 帶隙電路中的放大器需要較大的增益,以保證運(yùn)放的兩個輸入端相等。本文所設(shè)計(jì)的放大器采用兩級的形式,因?yàn)楣ぷ髟谥绷鳡顟B(tài)下,所以不需要很大的帶寬。如圖2所示放大器電路圖。

在圖2中,該運(yùn)算放大器有A、B 2個主要極點(diǎn)。 1)A處的小信號電阻很高,與之相連的3個晶體管的電容將產(chǎn)生一個靠近原點(diǎn)的極點(diǎn)。 2)B處的負(fù)載電容也可能很大,也會產(chǎn)生一個靠近原點(diǎn)的極點(diǎn)。 這里采用米勒補(bǔ)償技術(shù)在A、B間連接一個大電容Cc使主極點(diǎn)A移向原點(diǎn),B原理原點(diǎn)。然而這個電容同時引入了一個零點(diǎn),對于電路的穩(wěn)定性帶來了一定的問題。在引入Cc之前,此零點(diǎn)的頻率可表示成, 為了使主極點(diǎn)處在適當(dāng)?shù)奈恢茫珻c要選得足夠大。這樣,這個零點(diǎn)被推向靠近原點(diǎn)方向,大大降低了電路的穩(wěn)定性。為了消除這個零點(diǎn),增加了一個與補(bǔ)償電容聯(lián)的調(diào)零電阻Rz。3 仿真結(jié)果經(jīng)仿真TT情況下增益為80 dB,3 dB帶寬為1 k,PSRR為-90 dB左右,擺率為0.007 5 V/ns,仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。在典型工藝下的仿真結(jié)果如表1所示。

在電壓變化的線性區(qū)取2個點(diǎn),計(jì)算出斜率,這個斜率就是壓擺率。4 結(jié)論隨著混合集成電路的高速發(fā)展,ADC系統(tǒng)精度與速度不斷提高,從而對ADC系統(tǒng)提出了更高的要求。文中折疊插至ADC系統(tǒng)中的基準(zhǔn)源單元展開了專門的研究并開發(fā)出了相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)。文中設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)電壓源采用了目前較為流行的帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu),其制作工藝與目前的CMOS工藝完全兼容。 最后仿真結(jié)果表明:運(yùn)算放大器的增益達(dá)到80 dB,相位裕度為45 deg,PSRR達(dá)到了-90 dB,壓擺率為0.007 5 V/ns,Corner的結(jié)果變化不大,完全達(dá)到或超過了該帶隙基準(zhǔn)源對于運(yùn)算放大器的參數(shù)要求。

關(guān)鍵詞: 帶隙基準(zhǔn)

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