一种带隙基准电压源的设计与仿真

2011-10-11 08:28:27来源: 互联网
基准电源与电源本身及其工艺关系很小,而温度特性稳定,被广泛使用在模拟电路之中。基准电源的温度特性和噪声特性是决定电路精度和性能的重要因素。基准电源的输出电压和(或)电流几乎不受温度和电源电压的影响,是模拟集成电路中不可或缺的关键模块。基准电源根据输出的类型可分为基准电压源和基准电流源。基准电压源主要有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙基准电压源3种,基准电流源主要是简单基准电流源、阀值电压相关电流源和带隙基准电流源。准电压源和基准电流源两者并不孤立,电压基准可以转换为电流基准,电流基准也可以转换为电压基准。

  1 带隙基准电压源的基本原理

  带隙基准电压源的基本原理是利用双极型晶体管基区一发射区电压VBE具有的负温度系数,而不同电流密度偏置下的两个基区一发射区的电压差△VBE具有正的温度系数的特性,将这两个电压线性叠加从而获得低温度系数的基准电压源。

  利用VBE的负温度系数和△VBE的正温度系数,就可设计出零温度系数的基准电压源。即VBEF=α1VBE+α2(VTln n)。在温室下

a.jpg

b.jpg

,令α1=1,αln n≈17.2时,可得到零温度系数的基准为

 

  

c.jpg

 

  根据上述理论分析可得到如图1所示的带隙基准电路架构图,其中在鸭管的漏极可得到与绝对温度成正比(PTAT Proportional to Abso-lute Temperature)的电流,先进行理论推导。首先输出基准电压为

  

d.jpg

 

  M1、M2和M3采用相同的偏置电压,可得到相同的导通电流ID,放大器保证M1和M2的漏极电压相等,得

  

 

  根据上述分析可知,适当调节晶体管的发射极面积和电阻大小,即可得到温度系数为零的输出基准电压。本文设计的带隙基准电压源正是基于此电路构架图而得到的。

  

2 带隙基准电压源电路设计

  2.1 带隙基准核心电路

  带隙基准核心电路采用一阶补偿技术,温度系数一般能达到(10~20)×10-6℃。如图2所示,为本设计的带隙基准电压源的核心电路,图中用PMOS电流源作为偏置电流,由于MOS管的沟道长度调制效应会导致显著的电源电压依赖性。为解决这一问题,可利用共源共结构良好的屏蔽特性,电路中的电流源采用共源共栅结构。同时为减小运放失调电压的影响,可采用两个三极管级联的结构。运算放大器用来保证N1和N2两点的电位相等。根据理论分析可知,适当调整晶体管Q1~Q5的发射极面积和电阻R1~R5的电阻值,可产生与温度无关的基准电压VREF。

  

 

  

 

  

2.2 运算放大器

  图2中运算放大器的实际电路如图3所示,该运放电路是由M11~M17组成的二级运算放大器,其中M11~M15组成的差分放大器是一级放大器,M16和M17组成共源极放大器作为放大器的第二级。差分放大器的输出接在M17的栅极。M11为差分放大器提供电流,M12和M13是一对PMOS差分输入,M14和M15组成的电流镜作为有源负载。电容C1是补偿电容,一般取5pF。

  

 

  

k.jpg

 

  

 

  2.3 偏置电路设计

  如图4所示,偏置电路为二级放大器的M11和M16两管提供偏置电压Vb。

  

n.jpg

 

  

m.jpg

 

  3 带隙基准电压源的仿真结果

  由图5可知,当温度在-25~80℃变化时,输出基准电压在1.249 5~1.250 7 V之间变化,可得其温度系数为

  

o.jpg

 

  满足设计要求。

  

p.jpg
q.jpg

 

  由图6可知,当电源电压在3~5 V之间变化时,输出基准电压在1.251~1.208 V之间变化,变化范围在43 mV以内,满足设计要求。

  4 结束语

  设计了一款带隙基准电压源,在LTspice下画出原理图,产生网表后,在Hspice下仿真,结果表明,温度系数为9.14×10-16℃,电源电压在3~5 V之间变化时,基准电压在43 mV以内变化,满足设计要求。

关键字:隙基准  电压源  仿真

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1011/article_12212.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
隙基准
电压源
仿真

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved