基于溫度補償的高溫度高精度穩定性恒流源

在模擬電路中通常包含基準源，基準源在許多系統電路里都是關(guān)鍵部件，其電氣特性可以直接影響到整個(gè)系統的電氣特性。在電路設計中，工程師們通常都需要一些溫度穩定性好、輸出電流大、精度高的恒流源。這些特性的恒流源，往往對電路中電阻的精度要求和溫度系數的要求很高，這對一次集成技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)難題。而采用混合集成薄膜工藝生產(chǎn)的電阻能很好地達到電路系統的要求，使用混合集成工藝技術(shù)對擴流效果也有很好的幫助。本文就是采用混合集成技術(shù)，設計了一款具有高溫度穩定性和高精度的恒流源?！　?/P>

1 工作原理

恒流源是由電壓基準、比較放大、控制調整和采樣等部分組成的直流負反饋自動(dòng)調節系統。恒流源的設計方法有多種，常用的串聯(lián)調整型恒流電源原理框圖如圖1所示。

主要包括調整管、采樣電阻、基準電壓、誤差放大器和輔助電源等環(huán)節。通過(guò)采樣電阻將輸出電流轉換成電壓，然后與基準電壓進(jìn)行比較，比較放大后的信號推動(dòng)調整管對輸出電流進(jìn)行調整，最后達到輸出電流恒定?！　?/P>

2 電路設計　　

2.1 電壓-電流轉換設計　　

電壓-電流轉換是恒流源的核心。最基本的恒流源電路如圖2所示?！　?/P>

圖2中工作電源電壓作為電壓輸入信號，運放擔任比較放大的作用，Q1控制調整輸出電流Io。Vref為基準電壓，它可以是任何一種電壓參考源，R0為采樣電阻；Vref耐為基準電壓；Vr為運放反相端電壓；Vo為運放輸出電壓。根據運放的基本原理，有：

上式表明：輸出電流由基準電壓Eg和采樣電阻Rs決定?！　?/P>

當輸出電流Io有任何的波動(dòng)時(shí)，Vr=VCC-IoRS就會(huì )有相應的變化，△V=Vr-Vref經(jīng)過(guò)運放調整三極管的輸出電流并使之恒定?！　?/P>

由此可知，要想獲得一個(gè)穩定的輸出電流Io，必須要提供一個(gè)高精度的基準電壓和高精度采樣電阻。又由于運放在調整控制過(guò)程中的作用，運放的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運放是必要的選擇?！　?/P>

存在的問(wèn)題：由于采樣電阻與負載串連，流過(guò)的電流通常比較大，因此局部溫度也會(huì )隨之上升，導致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩定性變壞。其次，恒流電源的輸出電流全部流過(guò)調整管，因此調整管上的功耗也很大，必須選擇大功率的晶體管，然而大功率晶體管需要較大的基極驅動(dòng)電流，對運放有較高驅動(dòng)能力的要求。再次，雙極型三極管的漏電流和電流放大系數對溫度比較敏感，溫度穩定性較差。還有，電壓-電流變換器使用的負反饋閉環(huán)控制，電流穩定度與放大器放大倍數有直接關(guān)系，在大功率電源里基本上是倒數關(guān)系。例如，若要求電流源的穩定度要達到小于10-4，則放大器的放大倍數要大于一萬(wàn)倍。運方的溫度漂移和失調對電路的精度和溫度穩定性有很大的影響?！　?/P>

要解決上述問(wèn)題，需要對電路的控制調整部分進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電路如圖3所示：

用PMOS-PNP復合管來(lái)代替原來(lái)的PNP管。小信號等效模型如圖4所示：

小信號等效分析表明：復合管等效為PMOS管，它的跨導為(β+1)gm／(1+gmhie)，輸出電阻為RDS(1+gmhie)／(β+1)，輸出電阻與PMOS管近似。PMOS管具有較小的柵極電流和較大的漏極電流，能給三極管提供較大的基極電流。滿(mǎn)足了運放的驅動(dòng)壓力要求，使運放不需要過(guò)大的驅動(dòng)能力，電路就能正常工作。PMOS管具有溫度穩定性好、噪聲低的特點(diǎn)，彌補三極管的不足，有助于提高恒流源的溫度穩定性?！　?/P>

選用的運放應該有較高的增益，較低的輸入失調電壓和失調電流，以及低溫漂和低噪聲電壓。在實(shí)際的版圖設計時(shí)，減小局部區域功率密度，對整體溫度系數的降低也能起到很好的作用。

2.2 電壓基準設計　　

基準源類(lèi)型較多，常見(jiàn)的有齊納二極管、隱埋齊納二極管和帶隙基準源。3種基準源的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。根據恒流源電路的要求和特點(diǎn)，這里選擇使用隱埋齊納二極管組成電壓基準電路。為了進(jìn)一步提高基準電壓高穩定性，采用如圖5所示的電路結構?！?/P>

如圖5所示，流過(guò)隱埋齊納二極管的電流：

電阻R1，R2和R3是采用同一種工藝在同一個(gè)基片上制作的，具有相同的溫度系數等性能參數，R1／R2不隨溫度變化。因此，通過(guò)選擇合適的R1，R2和R3電阻值，就能使隱埋齊納二極管工作在穩定的狀態(tài)、輸出穩定的電壓。當輸出電壓VZ出現任何波動(dòng)時(shí)，這種變化經(jīng)過(guò)誤差放大器放大后控制調整復合管的電流，進(jìn)而調整隱埋齊納二極管的電流，使VZ從新回到先前的穩定狀態(tài)。

2.3溫度補償及采樣電阻的設計　　

在先前的電路設計中，采取了提高溫度穩定性的一些措施。隨著(zhù)使用環(huán)境的變化，對溫度穩定性的要求越來(lái)越高，為了進(jìn)一步提高電路的溫度穩定性，目前普遍采用的是恒溫槽溫度控制和局部溫度控制。溫度控制需要附加的電路和器件，增加了電路的體積和功耗以及成本。啟動(dòng)(恒溫)時(shí)間過(guò)長(cháng)、襯底溫度不均勻使溫度系數的降低受到限制，襯底的工作溫度較高，影響了器件的壽命和可靠性。這使得需要尋求新的方式滿(mǎn)足上述要求?！　?/P>

由公式IO=Vrefg／RS可知，對恒流源輸出電流溫度系數影響最大韻是基準電壓的溫度系數和采樣電阻的溫度系數。對于電壓基準源，盡管采取了措施提高溫度穩定性，但對于對溫度系數要求較高的電路是不夠的。由于采用的是隱埋齊納二極管式的電壓基準，其出廠(chǎng)時(shí)溫度系數的大小和方向是使用者無(wú)法控制的，這足夠消耗掉在電路設計時(shí)提高溫度穩定性所做的努力。解決的方法是選用采樣電阻作為溫度補償執行器件、通過(guò)特殊的設計和制作、使采樣電阻具有和電源基準大小方向合適的溫度系數。彌補電壓基準的溫度系數對恒流源溫度系數的影響，同時(shí)亦可彌補其他元器件溫度系數的影響?！　?/P>

采樣電阻的設計：在采樣電阻的設計中采用使用先進(jìn)工藝制作的薄膜電阻。薄膜電阻具有較小的方阻，在同一塊電路中設計2種正負溫度系數不同的電阻網(wǎng)絡(luò )，根據電壓基準溫度系數的特征，串接一部分正溫度系數電阻和一部分負溫度系數電阻的組成采樣電阻，使其整體呈現的溫度系數與電壓基準溫度系數互補，這樣就可以補償前級溫度系數的偏差，降低整個(gè)系統的溫度系數，調整一個(gè)合適的補償點(diǎn)，實(shí)現“0”溫度系數。這樣，在沒(méi)有增加系統負擔的情況下，實(shí)現了提高溫度穩定性的目標。試驗證明這個(gè)方法在實(shí)際生產(chǎn)中是便捷的、高效的。另外，根據采樣電阻的特殊設計，選用采樣電阻的不同連接方式，可以在一定的范圍內選擇恒流源輸出電流的大小?！　?/P>

3 測試分析　　

經(jīng)過(guò)在生產(chǎn)線(xiàn)上投片，對4個(gè)批次的電路跟蹤測試。在25～85℃的溫度范圍內，76％的電路溫度系數控制在5 PPM以?xún)?，在輸出恒流電流?0 mA時(shí)精度控制在±5‰。經(jīng)過(guò)分析，認為影響溫度系數最主要的原因采樣電阻的設計，因為需要采樣電阻的溫度系數補償，這里希望得到的溫度系數是精確可控的，而不是越小越好。這需要電阻制作先進(jìn)工藝的技術(shù)支撐?！　?/P>

4 布線(xiàn)的藝術(shù)　

在畫(huà)版圖時(shí)的布線(xiàn)也是一個(gè)不可忽視的環(huán)節。在設計中選用的一些發(fā)熱量大的器件，如大功率晶體管，讓這些器件遠離電壓基準和采樣電阻等敏感元件。由于采用采樣電阻的溫度系數來(lái)補償基準電源