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一種低溫漂輸出可調帶隙基準電壓源的設計

作者： 時(shí)間：2017-02-06 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò ) 收藏
在A(yíng)／D和D／A轉換器、數據采集系統以及各種測量設備中，都需要高精度、高穩定性的基準電壓源，并且基準電壓源的精度和穩定性決定了整個(gè)系統的工作性能。電壓基準源主要有基于正向VBE的電壓基準、基于齊納二極管反向擊穿特性的電壓基準、帶隙電壓基準等多種實(shí)現方式，其中帶隙基準電壓源具有低溫度系數、高電源抑制比、低基準電壓等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應用。

本文在基于傳統帶隙電壓基準源原理的基礎上，采用電流反饋、一級溫度補償等技術(shù)，同時(shí)在電路中加入啟動(dòng)電路，設計了一個(gè)高精度、輸出可調的帶隙基準電壓源，并在SMIC 0.25μmCMOS工藝條件下對電路進(jìn)行了模擬和仿真。

1 帶隙基準電壓源工作原理與傳統結構

帶隙基準電壓源的原理就是利用PN結電壓的負溫度系數和不同電流密度下兩個(gè)PN結電壓差的正溫度系數電壓VT相互補償，使輸出電壓達到很低的溫度漂移。

1.1 帶隙基準電壓源工作原理

圖1為溫度對二極管伏安特性的影響。

可以看出，溫度升高，保持二極管正向電流不變時(shí)所需正向偏壓減小，溫度系數為：-1.9 mV／℃～2.5 mV／℃。
PN結電流與外加電壓的關(guān)系為：


圖2(a)為帶隙電壓基準源的原理示意圖。



結壓降VBE在室溫下溫度系數約-2.0 mV／K，而熱電壓VT(VT=k0T／q)，在室溫下的溫度系數為0.085 mV／K，將VT乘以常數k并與KBE相加，可得到輸出電壓Vref為：



將式(1)對溫度T進(jìn)行一次微分，并在室溫下等于0(輸出電壓在室溫下的理論溫度系數等于0)，解得常數k，即



1.2 傳統帶隙基準電壓源結構

圖2(b)是傳統的CMOS帶隙電壓基準源電路，圖中運算放大器的作用是使電路處于深度負反饋狀態(tài)，從而讓運算放大器兩輸入端電壓相等。
在電路穩定輸出時(shí)：



由式(3)、式(4)得：



式中：k為常數，



由于實(shí)際的運算放大器存在一定的失調電壓VOS，所以實(shí)際輸出電壓為：



由式(7)可得，運算放大器的失調電壓會(huì )導致比較大的基準輸出電壓誤差。運算放大器的失調電壓VOS包括自身的失調、電源電壓變化引起的失調、工藝不匹配引起的失調及溫度引起的失調，其中自身的失調占主要作用，所以在大多數帶隙基準源電路中，一般采用兩級高增益運算放大器作為反饋運放，以降低失調電壓。傳統帶隙基準電壓源結構雖然能輸出比較精確的電壓，但是所得到的精度有限，而且其基準電壓范圍有限(1.25 V左右)，要想克服上述問(wèn)題和限制，必須對傳統基準源的結構有所改進(jìn)。
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