一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析(最终版).doc

一种低温漂的高精度带隙基准源的设计与分析 摘要：本文根据基准产生的基本原理、特性，并对传统的基准源电路结构进行分析和总结的基础上，综合了温度补偿及电阻分压技术，省去了差动放大器的设计方式，设计出了一款能应用于开关电源控制芯片的高性能带隙基准源。本电路基于6μm标准BJT工艺实现，仿真结果表明当电源电压为15V时，在TA=25°C时，Vref输出为5V；当12V≤VCC≤25V时，线性调整率为0.16mV；当1mA≤I0≤20mA时，负载调整率为1.61mV左右；温度稳定性良好，大约为0.05mV/°C。 关键词：基准源；开关电源控制芯片；线性调整率；温度稳定性 0.引言 随着集成电路技术的高速发展，对A/D（模/数转换器）、D/A（数/模转换器）、PLL(锁相环）、DRAM（动态存储器）[1]、开关电源控制器等电路模块提出了更高的精度和速度的要求，为了能高性能地实现以上功能模块，高稳定度、低压基准源的设计是十分关键的。 为了获得一款能够广泛应用于开关电源的基准源，本文设计省去了使传统电路处于深度负反馈的差动放大器，简化了设计，并结合先前的一阶温度补偿技术及相关的外围辅助电路给出了一款输出值宽范围可调的带隙基准源。 1.基本带隙基准源的原理分析 假设将两个具有相反温度系数的电压量以适当的权重相加，就能设计出令人满意的零温度系数的输出电压。带隙基准源就是利用以上基本原理而得到。由于双极晶体管的基极-发射极电压VBE具有负温度系数。对于双极器件，我们有 ，其中，IS为饱和电流[2]，。通过对VBE的温度特性做了详细的研究[3]，在常温下，然而。1964年Hilbiber 认识到[4]，如果两个双极性晶体管工作在不相等电流密度下，他们的基极—发射极电压差值就与绝对温度成正比（），这样，ΔVBE就表现出正温度系数特性。即： （1） 图1 带隙基准源原理图 Fig.1 The schematic of band-gap reference 如图1，即为带隙基准源的基本原理图[5]。图中由于电流镜的作用，使得两支路上的电流值相等（)，放大器OP处于深度负反馈的情况下，使得，晶体管Q1的发射极面积是Q2的n倍。因此，在电路平衡时，以及运算放大器输入端电压“虚短”，我们可以得到： （2） 由已知公式可得： ;， （3） 由等式（2）、（3），可得： ， （4） 已知晶体管Q1的发射极面积是晶体管Q2的n倍，得到流过右边支路的电流为,因此输出电压为： ， （5） ， （6） 为了得到零温度系数(即)，必须使得。例如，我们可以选择，。 然而，由于一定的失调电压Vos存在于实际电路中[6]，且对基准源精度产生影响，即 ， (7) 可见运放的失调电压大小会导致相当大的基准输出电压误差。一般情况下可以采用两级运放作为反馈用以降低失调电压误差。因此，为了进一步降低失调电压误差，就必须对基准源结构进行改进和提高。 2.输出可调的高精度带隙基准电压源[7]-[9] 由于该基准电压源是为了应用在一个电源电压为15V的开关电源电路中。基准源的一个最重要的指标就是温度系数，为了能实现高性能的指标设计，要求所设计的基准电压源的温度系数应尽可能低。为了配合其他电路模块的设计条件需求，即要实现参考电压输出的可配置性。 如图2所示，即为所设计的基准源电路。该基准电压源采用了一阶温度补偿技术、过流保护技术及电阻分压的修正技术，设计出了可为开关电源模块电路提供基准电压和偏置电压的带隙基准电路，且该电路设计摒弃了文献[6]、[8]中用于稳定输出电压的差动放大器的设计方式，简化了设计，并能提供5.0V左右的外输出电压。 图 2 设计的基准源整体电路图 Fig.2 the design of circuit of band-gap reference 图2中由Q1、Q2、R1、R2、R3、R8、R9、R10组成基准电压源电路，其中Q3用于限制管子Q1上的电流大小，且由于电流镜Q4、Q5的作用，使得Q1、Q2支路上的电流值相等，Q1、Q2的发射区面积之比为6∶1。因此，由于两个双极晶体管（Q1和Q2)工作在不相等的电流密度下，则他们的基极—发射极电压的差值就与绝对温度成正比，并在R1上产生PTAT电流IPTAT为： (8) 其中，A为Q1、Q2发射区面积之比（在这里我们设为6，在版图设