田 磊

(1．西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710121；2．西安電子科技大學(xué)超高速電路設(shè)計(jì)與電磁兼容教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710071)

0 引言

便攜設(shè)備的迅猛發(fā)展促使數(shù)模電路不斷向高速和高精度方向發(fā)展，基準(zhǔn)電流源作為模擬電路和數(shù)?；旌想娐返年P(guān)鍵模塊之一，為其他模塊提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流[1]。傳統(tǒng)的正、負(fù)溫度系數(shù)電流求和補(bǔ)償方法[2]，忽略了電阻溫度系數(shù)，目前高精度電流基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)復(fù)雜[3]。

針對(duì)以上設(shè)計(jì)缺憾，文中提出了一種采用正溫度系數(shù)電阻的帶隙結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)電流[4]，并在基準(zhǔn)電流源中鏡像，最終將多路電流求差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娏骰鶞?zhǔn)源電路。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需放大器；并復(fù)合采用了分段曲率補(bǔ)償及高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償，減小基準(zhǔn)電流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的變化。

1 傳統(tǒng)基準(zhǔn)電流源電路

獲取基準(zhǔn)電流的一般方法是利用帶隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成正比的電流(PTAT)[5]，其表達(dá)式為：

(1)

式中：IC1和IC2分別為流過(guò)2個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的晶體管的集電極電流；VT為熱電壓與絕對(duì)溫度成正比；電阻R的阻值與溫度有關(guān)。

典型的電流基準(zhǔn)源電路的設(shè)計(jì)思想是利用與絕對(duì)溫度成正比的電流和與絕對(duì)溫度成反比的電流(CTAT)兩部分線(xiàn)性疊加而成。不考慮電阻溫度特性，其IPTAT和ICTAT電流產(chǎn)生的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 正、負(fù)溫度電流求和電路

其中，共源共柵結(jié)構(gòu)抑制溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。若忽略短溝道效應(yīng)，可以通過(guò)ICTAT、IPTAT得到I的表達(dá)式分別：

I=K1ICTAT+K2IPTAT

(2)

式中K1和K2是溫度系數(shù)，電流疊加可以實(shí)現(xiàn)較好的溫度系數(shù)。

顯然，傳統(tǒng)的一階溫度補(bǔ)償忽略了VBE的高階非線(xiàn)性。對(duì)于高精度要求的場(chǎng)合，就需要對(duì)該曲線(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步的曲率補(bǔ)償，以求得到更好的溫度特性。主要有2種方式：分段曲率補(bǔ)償和高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償。

2 分段曲率補(bǔ)償及高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償原理

2．1分段曲率補(bǔ)償原理

傳統(tǒng)補(bǔ)償中基準(zhǔn)輸出電流只有在參考溫度附近才能獲得比較好的補(bǔ)償。若將整個(gè)溫度范圍分成若干段，根據(jù)每段內(nèi)電流隨溫度變化斜率的大小，分別進(jìn)行補(bǔ)償，則可以有效地降低其溫度系數(shù)，獲得高精度的基準(zhǔn)電流輸。文中將整個(gè)溫度范圍分成兩部分，分別進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 分段曲率補(bǔ)償原理圖

圖2為分段曲率補(bǔ)償?shù)脑硎疽鈭D。考慮到ICTAT和ICTAT電流的補(bǔ)償由INL1和INL2兩部分組成，兩者同樣具有負(fù)的溫度系數(shù)。在T0～T1區(qū)間，補(bǔ)償電流INL=INL1-INL2，ICTAT減去INL得到基準(zhǔn)電流輸出；隨著溫度的升高，在T1點(diǎn)，INL2關(guān)閉，所以在T1～T2部分，補(bǔ)償電流INL=INL1，ICTAT減去INL得到基準(zhǔn)電流輸出。在此情況下，輸出的基準(zhǔn)電流出現(xiàn)2個(gè)峰值，溫度系數(shù)大大減小。

2．2高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償原理

不同于分段曲率補(bǔ)償，高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償直接對(duì)輸出基準(zhǔn)電流表達(dá)式中的對(duì)數(shù)項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。三極管BE結(jié)電壓對(duì)溫度T求導(dǎo)：

(3)

3 復(fù)合補(bǔ)償基準(zhǔn)電流源核心電路

基于上述溫度補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)了一種新穎的溫度補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)：利用同為負(fù)溫度系數(shù)的電流求差，對(duì)基準(zhǔn)電流進(jìn)行復(fù)合補(bǔ)償，具體電路如圖3所示。

圖3 復(fù)合補(bǔ)償基準(zhǔn)電流源核心電路

其中，偏置電壓Vbias將帶隙基準(zhǔn)電壓模塊中的ICTAT電流鏡像到電流I3，ICTAT的帶隙產(chǎn)生與上文論述相同，ICTAT表達(dá)式為ICTAT=VBE/R，采用正溫度系數(shù)的電阻，所以ICTAT呈現(xiàn)負(fù)溫度特性。由Q2，Q4和R2組成補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路，補(bǔ)償電流INL=INL1-INL2。由Vref、Q1、R1、M1和M8產(chǎn)生分段控制電流I1，由Vbias、M2、M4、M6和M10產(chǎn)生分段控制電流I2。低溫階段，電流I1大于I2，INL2=I1-I2；高溫階段，I1小于I2，由于通過(guò)三極管Q2的電流不能反向，I2被強(qiáng)制拉低，維持I1=I2，補(bǔ)償電流INL=INL1，由此完成兩段中不同溫度系數(shù)的補(bǔ)償。三極管Q3、Q4、Q5和Q6組成的電流鏡鏡像比例為1∶1，由圖所示的電流流向關(guān)系，最終得：

IREF=I3-INL

(4)

由圖3得各電流的表達(dá)式：

式中：K1，K2，K3為相應(yīng)電流鏡結(jié)構(gòu)的鏡像比例。

3．1分段曲率補(bǔ)償?shù)蜏仉A段

該階段，IREF=I3-INL=I3-(INL1-INL2)=I3+(I1-I2)-INL1，則溫度特性為：

(5)

將式(1)和VBE的值代入式(5)可得除了常數(shù)項(xiàng)和與溫度成一階線(xiàn)性關(guān)系的項(xiàng)外，只有最后兩項(xiàng)是與溫度成高階函數(shù)關(guān)系的。

因此，進(jìn)行高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償，通過(guò)選擇合適溫度系數(shù)的電阻R1和R2，調(diào)節(jié)電阻的比值及鏡像系數(shù)K1，就可以在一定溫度T0下，消除高階非線(xiàn)性溫度效應(yīng)。此后再考慮一階溫度效應(yīng)，在給定的T0溫度下，設(shè)計(jì)電阻R與R1，R2及K1、K2、K3的值，得到理想的曲率補(bǔ)償。

3．2分段曲率補(bǔ)償高溫階段

1-λ2T0=0

(6)

和低溫補(bǔ)償相同，選擇合適溫度特性λ的電阻R2，可以在特定溫度T0下消除高階非線(xiàn)性溫度效應(yīng)。在給定的T0溫度下，合理設(shè)計(jì)電阻R與R2及K3的值，得到理想的曲率補(bǔ)償。

由此，電路實(shí)現(xiàn)了分段曲率補(bǔ)償與高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償?shù)膹?fù)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了與溫度無(wú)關(guān)的電流源。

4 仿真與討論

文中提出的基準(zhǔn)電流電路基于0.6 μm UMC工藝模型，在Hspice下進(jìn)行仿真。圖4是曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流溫度掃描曲線(xiàn)。

圖4 基準(zhǔn)電流溫度特性仿真

仿真結(jié)果表明，一階補(bǔ)償IREF在-20～120 ℃內(nèi)變化了0.28 μA；復(fù)合曲率補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電流溫度掃描曲線(xiàn)，在相同溫度范圍內(nèi)變化了0.028 μA，溫度系數(shù)降到34.5 ppm/℃．可見(jiàn)，補(bǔ)償取得明顯效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)一種復(fù)合曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流源電路，利用多路負(fù)溫度系數(shù)電流求差的方法，結(jié)合使用分段曲率補(bǔ)償和高階非線(xiàn)性溫度補(bǔ)償，在考慮電阻溫度系數(shù)的情況下，詳細(xì)地分析補(bǔ)償原理，并得到較理想的仿真結(jié)果：電路在-20～120 ℃范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電流溫度系數(shù)僅為34.5 ppm/℃．另外，電路未采用放大器，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，仍具有58.5 dB的較高的電源抑制比。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低，可移植性強(qiáng)，適用于對(duì)電流性能要求較高的電路與系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]LEE Jung-Hyo，Sungkyunkwan，YU Dong-Ho，et al．Auxiliary Switch Control of a Bidirectional Soft-Switching DC/DC Converter．IEEE Transactions on Power Electronics．2013，12(28)：5446-5457．

[2]王麗，康紅明，謝東巖．高精度程控電流源的設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2012 (7)：105-106．

[3]模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)．拉扎維，陳貴燦，譯．西安：西安交通大學(xué)出版社，2002(12)：312-326．

[4]初秀琴，丁睿，來(lái)新泉，等．高精度電流求和型分段曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流源．電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41(4)：170-175．

[5]王松林，田錦明，來(lái)新泉，等．高效同相的降壓-升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的控制方法．儀表技術(shù)與傳感器，2006(7)：54-59．

作者簡(jiǎn)介：田磊：(1980—)，講師，博士，研究方向?yàn)槟M和數(shù)模混合集成電路的設(shè)計(jì)。E-mail：tla02@126．com