程 亮

(山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院, 山西 太原 030024)

0 引言

帶隙基準(zhǔn)源是一種與電源電壓、環(huán)境溫度和半導(dǎo)體制造工藝的變動(dòng)無關(guān),能提供穩(wěn)定的電流或電壓的集成電路[1]?；鶞?zhǔn)源是模擬集成電路,如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)及DC-DC轉(zhuǎn)換器的重要組成部分,其輸出信號(hào)的穩(wěn)定性直接影響系統(tǒng)的性能。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,對(duì)基準(zhǔn)源的精度提出了更高的要求。高精度基準(zhǔn)源一般通過消除溫度的線性效應(yīng)和非線性效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。抵消溫度的非線性效應(yīng)即高階曲率補(bǔ)償技術(shù)是提高基準(zhǔn)源精度的關(guān)鍵。高階曲率補(bǔ)償方法一般是通過產(chǎn)生一個(gè)極性相反的非線性項(xiàng)來抵消基準(zhǔn)電壓中的非線性溫度特性。生成非線性項(xiàng)的方法有PTAT2曲率矯正技術(shù)[2]、 二極管環(huán)路技術(shù)[3]、β補(bǔ)償技術(shù)[4]及分段補(bǔ)償技術(shù)[5]等,這些技術(shù)產(chǎn)生的非線性項(xiàng)無法實(shí)現(xiàn)與基準(zhǔn)電壓中的非線性溫度特性完全匹配。本文在深入分析帶隙基準(zhǔn)電壓溫度特性的基礎(chǔ)上,提出了一種能夠與基準(zhǔn)電壓中的非線性溫度特性完全抵消的非線性項(xiàng)產(chǎn)生電路,以實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)的目的。

1 電壓溫度特性分析

電壓基準(zhǔn)源由二極管、電流鏡和電流基準(zhǔn)源三個(gè)部分組成。其中二極管電壓的溫度特性將影響整個(gè)基準(zhǔn)電壓的精度。在實(shí)際的集成電路中二極管一般由基極和集電極短接的雙極型晶體管替代。雙極型晶體管集電極電流IC與基極發(fā)射極電壓VBE關(guān)系如下:

.

(1)

其中,VT=kT/q為熱電壓(k為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K),IS表示反向飽和電流。

IS(T)=D·T4-n·exp(-VGO/VT).

(2)

其中,D為與溫度無關(guān)常數(shù)。

假設(shè)集電極電流IC與溫度的關(guān)系為:

IC(T)=E·Tδ.

(3)

當(dāng)集電極電流與溫度無關(guān)時(shí)δ取0,當(dāng)與T成正比時(shí)δ=1,E為常數(shù)。把公式(2)、(3)帶入公式(1)得:

(4)

(5)

把公式(5)帶回公式(4)得到晶體管的基極發(fā)射極電壓:

(6)

上式即是BJT晶體管基極發(fā)射極電壓的溫度特性函數(shù),第一項(xiàng)為常數(shù)項(xiàng),第二項(xiàng)具有線性負(fù)溫度系數(shù),第三項(xiàng)具有非線性負(fù)溫度系數(shù),其中(4-n)取值范圍3.6～4[3]。帶隙基準(zhǔn)電壓源是在VBE的基礎(chǔ)上疊加正溫度系數(shù)電壓來消除VBE隨溫度變化產(chǎn)生的波動(dòng)。僅對(duì)線性項(xiàng)進(jìn)行抵消為一階曲率補(bǔ)償,若需更高精度的基準(zhǔn)電壓應(yīng)當(dāng)對(duì)非線性項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償即高階曲率補(bǔ)償。

2 高階曲率補(bǔ)償方法

2.1 PTAT電路

圖1為產(chǎn)生PTAT電流原理圖,由運(yùn)放、核心電路和啟動(dòng)電路組成。Q1和Q2為PNP型晶體管,Q1的橫截面積為Q2的N倍。MOS管M1、M4和MP3組成啟動(dòng)電路。MOS管M2、M3、M5、MP1和MP6組成運(yùn)算放大器,與MP2管構(gòu)成負(fù)反饋來維持正負(fù)輸入端即A點(diǎn)和B點(diǎn)電壓的穩(wěn)定。

圖1 PTAT電流電路

2.2 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源

圖2 傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源

2.3 高階補(bǔ)償電路

進(jìn)一步減弱基準(zhǔn)電壓的溫度效應(yīng)需對(duì)公式(6)中的VT·lnT項(xiàng)進(jìn)行抵消即高階曲率補(bǔ)償。本文設(shè)計(jì)了一種新穎的補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)VT·lnT項(xiàng)的完全抵消。圖3 為高階曲率補(bǔ)償電路。

圖3 高階曲率補(bǔ)償電路

圖3中MP1和MP2為電流鏡,從圖1的PTAT電路中鏡像生成與絕對(duì)溫度成正比的電流Ip,MP5從圖2的傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源電路中鏡像生成一階曲率補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流Ir。MP2的Ip電流通過NPN晶體管Q1,該晶體管的基極發(fā)射極電壓加在電阻Rp上生成一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電流Ia;一階補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流通過Q2管,在電阻Rr上生成另一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)電流Ib。MOS管MP4的電流為鏡像電流Ia,根據(jù)基爾霍夫電流定律可知,流過電阻R2的電流為Ic=Ia-Ib。電阻R1上疊加經(jīng)MP1鏡像的正溫度系數(shù)電流Ip。輸出端得到的基準(zhǔn)電壓為:

(7)

因Q1集電極電流為PTAT特性,所以用公式(6)表示的VBE1公式中δ=1。Q2管集電極電流與溫度無關(guān),所以VBE2公式中δ=0。把式(7)中的VBE1和VBE2用公式(6)替換得到:

(8)

3 討論

要得到上述公式,在電路中需滿足Q1管和Q2管的橫截面相同,鏡像電流Ip和Ir在參考點(diǎn)溫度To時(shí)大小需盡量一致,可根據(jù)公式(1)得到VEB1(To)=VEB2(To)。

(9)

本文提出的這種新穎的高階曲率補(bǔ)償電路可實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓中溫度非線性效應(yīng)的完全消除。參考文獻(xiàn)[2]中采用一個(gè)與絕對(duì)溫度的平方成比例的電壓(V∝T2)來抵消VBE中與T·lnT相關(guān)的非線性項(xiàng)。參考文獻(xiàn)[3]中生成的非線性項(xiàng)也無法與晶體管VBE電壓中的高階分量完全抵消。參考文獻(xiàn)[4]根據(jù)NPN晶體管的正向偏置電流增益與溫度成指數(shù)關(guān)系這一性質(zhì)(β∝e-1/T),來抵消晶體管電壓中的非線性分量。參考文獻(xiàn)[5]采用分段補(bǔ)償技術(shù),低溫段進(jìn)行線性補(bǔ)償,高溫段采用高階曲率補(bǔ)償。文獻(xiàn)中介紹的方法都不能實(shí)現(xiàn)VBE晶體管電壓中非線性分量的完全抵消,本文提出的電路結(jié)構(gòu)優(yōu)于文獻(xiàn)中介紹的方法。