一种低温漂输出可调带隙基准电压源的设计

2015-03-20 13:03:29   来源:eefocus   

关键字: 基准电压源的  低温漂输出  可调带隙

在A/D和D/A转换器、数据采集系统以及各种测量设备中,都需要高精度、高稳定性的基准电压源,并且基准电压源的精度和稳定性决定了整个系统的工作性能。电压基准源主要有基于正向VBE的电压基准、基于齐纳二极管反向击穿特性的电压基准、带隙电压基准等多种实现方式,其中带隙基准电压源具有低温度系数、高电源抑制比、低基准电压等优点,因而得到了广泛的应用。 

本文在基于传统带隙电压基准源原理的基础上,采用电流反馈、一级温度补偿等技术,同时在电路中加入启动电路,设计了一个高精度、输出可调的带隙基准电压源,并在SMIC 0.25μm CMOS工艺条件下对电路进行了模拟和仿真。  

1 带隙基准电压源工作原理与传统结构  

带隙基准电压源的原理就是利用PN结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN结电压差的正温度系数电压VT相互补偿,使输出电压达到很低的温度漂移。  

1.1 带隙基准电压源工作原理  

图1为温度对二极管伏安特性的影响。  

可以看出,温度升高,保持二极管正向电流不变时所需正向偏压减小,温度系数为:-1.9 mV/℃~2.5 mV/℃。  
PN结电流与外加电压的关系为:

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图2(a)为带隙电压基准源的原理示意图。

\

结压降VBE在室温下温度系数约-2.0 mV/K,而热电压VT(VT=k0T/q),在室温下的温度系数为0.085 mV/K,将VT乘以常数k并与KBE相加,可得到输出电压Vref为:

\

将式(1)对温度T进行一次微分,并在室温下等于0(输出电压在室温下的理论温度系数等于0),解得常数k,即

\

1.2 传统带隙基准电压源结构  

图2(b)是传统的CMOS带隙电压基准源电路,图中运算放大器的作用是使电路处于深度负反馈状态,从而让运算放大器两输入端电压相等。  
在电路稳定输出时:
  
\

由式(3)、式(4)得:

\

式中:k为常数,  

\
  
由于实际的运算放大器存在一定的失调电压VOS,所以实际输出电压为:

\
   
由式(7)可得,运算放大器的失调电压会导致比较大的基准输出电压误差。运算放大器的失调电压VOS包括自身的失调、电源电压变化引起的失调、工艺不匹配引起的失调及温度引起的失调,其中自身的失调占主要作用,所以在大多数带隙基准源电路中,一般采用两级高增益运算放大器作为反馈运放,以降低失调电压。传统带隙基准电压源结构虽然能输出比较精确的电压,但是所得到的精度有限,而且其基准电压范围有限(1.25 V左右),要想克服上述问题和限制,必须对传统基准源的结构有所改进。  
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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0320/article_11090.html
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