一種帶有曲率補(bǔ)償?shù)膶捿斎霂痘鶞?zhǔn)源設(shè)計(jì)

模擬集成電路中廣泛包含著電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)源。提供參考電平的基準(zhǔn)源，其性能直接影響整體電路的性能穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)寬輸入范圍、高精度、低溫度系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)源具有重要意義[1]。
本文設(shè)計(jì)了一種高精度基準(zhǔn)電壓源，電路首先使用Wilder結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高電壓轉(zhuǎn)化為低電壓，其后為啟動(dòng)電路，再接一個(gè)帶有高階曲率補(bǔ)償的帶隙基準(zhǔn)源，實(shí)現(xiàn)曲率補(bǔ)償，使基準(zhǔn)具有低的溫度系數(shù)。
1 帶隙基準(zhǔn)電路
本文提出的帶隙基準(zhǔn)電路如圖1～圖3所示。電路由高壓轉(zhuǎn)低壓模塊、啟動(dòng)電路模塊、帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)核心模塊3部分組成。
1.1 高壓轉(zhuǎn)低壓模塊
如圖1所示，本模塊所有MOS管均采用耐高壓器件，并提出Widlar電路結(jié)構(gòu)，可以將10 V～25 V高電壓轉(zhuǎn)換為4.0 V低電壓，供給后續(xù)模塊使用[2-3]。

(1)啟動(dòng)階段分析
VIN電壓逐漸升高，將會(huì)開啟MNDB1與MNDB2管，使得電流流入電阻R3與R4從而開啟三極管NPN1與NPN2；NPN1的集電極電壓升高，從而開啟NPN9管，并控制MNDB3管，使SVIN電壓正確建立。
(2)工作原理
電路啟動(dòng)后，NPN9為Widlor結(jié)構(gòu)電路提供負(fù)反饋，使環(huán)路穩(wěn)定；電容C1A提供補(bǔ)償，增加環(huán)路穩(wěn)定性。如圖1所示，負(fù)反饋回路使NPN1的集電極和NPN2的集電極電流相等。對(duì)于一個(gè)雙極型器件，可以得到：

1.2 啟動(dòng)電路模塊
啟動(dòng)電路的作用在于使帶隙基準(zhǔn)電路脫離簡并點(diǎn)，使基準(zhǔn)電路正常上電工作[4]。如圖2所示，芯片上電時(shí)，MP1、MP2 和MP3管開啟從而使MP4與MP5支路開啟，為基準(zhǔn)提供電流偏置。此時(shí)基準(zhǔn)開始啟動(dòng)，啟動(dòng)階段MP10與MP11管形成差分對(duì)，比較LB4與基準(zhǔn)輸出電壓VOUT的大小。在基準(zhǔn)建立時(shí)LB4上的VBE電壓大于基準(zhǔn)輸出電壓VOUT，因此MN3管開啟。將LB1電位拉低，如圖3所示，開啟MP12、MP13和MP14管。當(dāng)基準(zhǔn)正常工作后，VOUT電壓比LB4電壓高，關(guān)斷MN3，基準(zhǔn)啟動(dòng)完成。

1.3 帶曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)核心模塊
傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)只是對(duì)VBE的一次項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。這種補(bǔ)償精度較低，一般的傳統(tǒng)的帶隙電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)約為30 ppm/℃，要是帶隙電壓基準(zhǔn)的精度繼續(xù)提高，就必須對(duì)VBE的高階進(jìn)行補(bǔ)償[5]。
本文設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償簡單的帶隙基準(zhǔn)電路。該電路特點(diǎn)是器件少，占用面積小，只需在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路的基礎(chǔ)上，利用PN結(jié)二極管的伏安特性，通過添加一個(gè)串聯(lián)的電阻R13和二極管NPN8，再與電阻R14并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。在補(bǔ)償電路中，晶體二極管兩端電壓被偏置在導(dǎo)通電壓0.7 V左右即可實(shí)現(xiàn)高階曲率補(bǔ)償。
由晶體二極管的溫度特性可知，二極管兩端正向?qū)妷弘S著溫度的升高而略有下降，即晶體二極管正向?qū)妷壕哂胸?fù)溫度系數(shù)[6-7]。隨著溫度升高，二極管兩端電壓相應(yīng)降低，電阻R13兩端電壓略有上升。正是利用了晶體二極管的這種特性，當(dāng)補(bǔ)償電流注入PTAT電流后，抵消了電流中所含的高階非線性項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了高階曲率補(bǔ)償。
如圖3所示，由于晶體二極管正向?qū)妷壕哂胸?fù)溫度特性，隨著溫度的提高，晶體二極管NPN8導(dǎo)通電壓下降，通過二極管NPN8電流發(fā)生變化，與PTPA電流相疊加，達(dá)到高階曲率補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> LB1與電路啟動(dòng)模塊相連，啟動(dòng)完成后，與啟動(dòng)模塊斷開。圖4所示為運(yùn)放OP1模塊，電路采用電容CC1和調(diào)零電阻RC1串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒?，可提高電路穩(wěn)定性。

下面分析圖3中電阻R13、R14及NPN型二極管對(duì)電路的補(bǔ)償作用。與高壓轉(zhuǎn)低壓模塊分析方法類似，電阻R9=R10，VLB5=VLB6，由式(3)可以得到電阻R11上的電壓

本文主要設(shè)計(jì)了一種輸入電壓范圍寬、高階曲率補(bǔ)償結(jié)構(gòu)簡單、溫度特性較好的帶隙基準(zhǔn)源。在0 ℃～120 ℃溫度范圍內(nèi)，其基準(zhǔn)溫度系數(shù)為0.501 ppm/℃；在輸入10 V～25 V時(shí)，輸出電壓擺幅為31.49 mV。從而實(shí)現(xiàn)了輸入電壓范圍較寬、精度較高的設(shè)計(jì)要求，適用于對(duì)精度要求較高的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等元件中[8]。
參考文獻(xiàn)
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