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带隙基准源电路的基本原理及仿真分析

2017年12月07日 09:26 次阅读

模拟电路中广泛地包含电压基准(reference voltage)和电流基准(current reference)。在数/模转换器、模/数转换器等电路中,基准电压的精度直接决定着这些电路的性能。这种基准应该与电源和工艺参数的关系很小,但是与温度的关系是确定的。在大多数应用中,所要求的温度关系通常分为与绝对温度成正比(PTAT)和与温度无关2种。

近年来有研究指出,当漏电流保持不变时,工作在弱反型区晶体管的栅源电压随着温度升高而在一定范围内近似线性降低。基于该特性,带隙基准源所采用的基极-发射极结可以被工作在弱反型区的晶体管代替产生低温度系数的基准源。文献中提到采用该设计原理的基准源,利用0.13μm工艺的低阈值电压NMOS管和衬底调整的PMOS管实现其中的放大器。本文所采用的基准源电路利用传统带隙基准源的核心电路原理,通过饱和状态MOS等效电阻对PTAT电流动态反馈补偿,基本实现了基准源的稳定要求。

1 带隙基准源的基本原理

    带隙基准源可以在0~70℃的温度范围内有lO ppm/℃的温度系数。由室温下温度系数为-2.2 mV/℃的PN结二极管产生电压为VBE。同时也产生一个热电压VT(VT=kT/q),其与绝对温度(PTAT)成正比,室温下的温度系数为0.085 mV/℃,则输出电压为:

    带隙基准源电路的基本原理及仿真分析

    将式(1)对温度求导,用VBE和VT的温度系数求出理论上不依赖于温度的K值。为了达到所希望的性能,更详细地分析VBE与温度的关系是必须的。带隙基准就是将负温度系数的电压与正温度系数的电压加权相加来抵消温度对输出电压的影响。

1.1 负温度系数电压的产生
    双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数,或者说PN结二极管的正向电压具有负温度系数。从文献可得到与温度的关系式:

   带隙基准源电路的基本原理及仿真分析

式中:η为与三极管结构有关的量,其值大约为4;α为与流过三极管的电流有关的一个量,当PTAT电流流过三极管时α为1,当与温度不相关的电流流过三极管时为O;T0为参考温度;VBG为硅的带隙电压。由式(1)可以看出VBE是一个具有负温度系数的电压。

1.2 正温度系数电压的产生
    两个三极管工作在不同的电流密度下,它们的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。如果两个同样的三极管(IS1=IS2),偏置的集电极电流分别为nI0和I0,并忽略他们的基极电流,那么:

   带隙基准源电路的基本原理及仿真分析

式中:△VBE表现出正温度系数,而且此温度系数是与温度无关的常量。

1.3 一阶温度补偿带隙基准源
    将正、负温度系数的电压加权相加,就可以得到一个近似与温度无关的基准电压。常见的一阶可调基准源电路如图1所示。

带隙基准源电路的基本原理及仿真分析

带隙基准源电路的基本原理及仿真分析

   
式中:N为Q2与Q1的发射结面积之比,式(4)中第一项具有负的温度系数,第二项具有正、负温度系数,合理设计R0与R1的比值和N的值,就可以得到在某一温度下的零温度系数的一阶基准电压。式(5)中方括号内是约为1.25 V的一阶温度无关基准电压,通过调节R2/R0的比值,可以得到不同大小的基准电压。

2 电路结构及原理分析

    图2为本文设计的基准源整体电路图,包含带隙核心电路、反馈补偿电路和启动电路。其中虚框a为带隙核心电路,虚框b为偏置及反馈补偿电路,虚框c为基准源启动电路。

 

带隙基准源电路的基本原理及仿真分析


2.1 带隙核心电路
    图2中,由Mp1~Mp3,MN1,MN2,R1,R2和Q1,Q2组成的电路构成带隙核心电路。输入晶体管的偏置电流由PMOS电流源提供,可通过减小其电流,而不是减小其宽长比来降低负载器件的gm,从而增加其差动放大增益。其中Mp1,Mp2,MN1,MN2均工作在饱和状态,Mp1,Mp2复制了Iout,从而确定了IREF。从本质上讲,IREF被“自举”到Iout。选择一定的MOS管尺寸,如果忽略衬底沟长长度调制效应,则有Iout=KIREF,因为每个二极管连接的器件都是由一个电流源驱动的,故IREF和Iout与VDD无关,左右两支路永远维持这两个电流值。双极晶体管Q1和Q2工作在不同的电流密度下,它们的基极与发射极间的电压差与绝对温度成正比。将与电源无关的偏置电路与双极晶体管结合,得到带隙核心电路。

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发表于 2017-12-07 09:41 404次阅读
开关电源之MOSFET管的关断缓冲电路的设计详解

直接耦合放大电路中的零点漂移现象原因及抑制措施

零点漂移是直接耦合放大电路存在的一个特殊问题。所谓零点漂移的是指放大电路在输入端短路(即没有输入信号...

发表于 2017-12-07 09:30 634次阅读
直接耦合放大电路中的零点漂移现象原因及抑制措施

高速数字电路电源系统的EMC设计

随着电子、电力电子、电气设备的应用范围越来越广泛,设备运行中产生的高密度、宽频谱的电磁信号充满了整个...

发表于 2017-12-07 06:01 66次阅读
高速数字电路电源系统的EMC设计

小型微控制器传感器模块电路在电源电路的应用详例

本例描述了一种采用小型微控制器传感器模块的电路,它只有三个连接:5Vdc、一个RS-232传输数据输...

发表于 2017-12-04 09:19 142次阅读
小型微控制器传感器模块电路在电源电路的应用详例

IGBT保护电路设计必备知识及相关问题分析

本文论述了IGBT的过流保护、过压保护与过热保护相关问题,并从实际应用中总结出各种保护方法,这些方法...

发表于 2017-12-04 09:15 391次阅读
IGBT保护电路设计必备知识及相关问题分析

各种触发电路特点分析与新型的晶闸管两端采集过零信...

在快速无功补偿和谐波滤波装置中,要用晶闸管作为执行元件投切电容器,做为TSC电路。执行元件晶闸管根据...

发表于 2017-12-04 08:26 208次阅读
各种触发电路特点分析与新型的晶闸管两端采集过零信...

基于ic产生温度计式电压指示的电路

本应用笔记介绍了一个产生温度计式电压指示的电路。 与模拟D'Arsonval表不同,此处的温度计式刻...

发表于 2017-12-04 02:33 83次阅读
基于ic产生温度计式电压指示的电路

分布式瞬时均流不同容量逆变器并联电路设计(电路方...

随着电力电子技术的发展,电力负载的增大,对电源的功率要求越来越大,往往一个电源已经不能满足要求,通...

发表于 2017-12-02 10:48 217次阅读
分布式瞬时均流不同容量逆变器并联电路设计(电路方...

数字电路中△I噪声产生过程与其基本特点简介及主要...

随着数字电路向高集成度、高性能、高速度、低工作电压、低功耗等方向发展,数字电路中的△I噪声的特性和抑...

发表于 2017-12-02 09:38 171次阅读
数字电路中△I噪声产生过程与其基本特点简介及主要...

PoE系统对敏感电源电路实施电涌瞬态事故保护设...

了解电气瞬态的不同原因和特征,可以使设计人员利用离散保护电路对 PoE 系统进行很好地保护,以避免电...

发表于 2017-12-02 08:57 294次阅读
 PoE系统对敏感电源电路实施电涌瞬态事故保护设...

含受控源电路例题网孔分析详解(方程和矩阵)

含受控源电路的网孔分析方法与步骤,与只含独立源电路的网孔分析法全同。在列网孔的KVL方程时,受控源与...

发表于 2017-12-02 08:55 536次阅读
含受控源电路例题网孔分析详解(方程和矩阵)

单壁碳纳米管在等离子体激元领域中的发展解读

在操作中,装置通过电激励单壁奈米碳管起作用,所述单壁碳纳米管将其激发能量释放到近场区域中的表面等离子...

发表于 2017-11-30 17:10 928次阅读
单壁碳纳米管在等离子体激元领域中的发展解读

电路仿真软件哪个更实用

 Multisim有超强板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述...

发表于 2017-11-29 19:26 7831次阅读
电路仿真软件哪个更实用

半波精密整流运放电路汇总

精密整流电路是由于硅二极管的起始导通电压约为0.3~0.7V,用它来进行小信号整流,会产生很大的误差...

发表于 2017-11-26 09:00 539次阅读
半波精密整流运放电路汇总

微波功率晶体管电路及参数分析

微波功率晶体管(以下简称微波功率管)是指用于微波频段的功率放大,输出较大功率,散发出较高热量的晶体管...

发表于 2017-11-25 13:16 155次阅读
微波功率晶体管电路及参数分析

数字通信终端接口电路分析、设计与实现

软件无线电(Software Radio)是随着计算机技术和高速数字信号处理技术的发展迅速而发展起...

发表于 2017-11-21 20:49 144次阅读
数字通信终端接口电路分析、设计与实现

占空比可调方波发生器电路及其原理分析

在电气专业及日常生活中,常常会用到方波信号。有很多方法可以实现方波的产生,为方便以后实验和生活中遇到...

发表于 2017-11-21 14:30 731次阅读
占空比可调方波发生器电路及其原理分析

几种冗余电源电路

对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统,如基站通信设备、监控设备、服务器等,往往需要高可靠的电源...

发表于 2017-11-21 10:36 1333次阅读
几种冗余电源电路

稳压器电路图解析

稳压器:它是一种能自动调整输出电压的供电电路或供电设备,其作用是将波动较大和不符合用电器设备要求的电...

发表于 2017-11-18 11:32 787次阅读
稳压器电路图解析

电路时间常数怎么求

表示过渡反应的时间过程的常数。指该物理量从最大值衰减到最大值的1/e所需要的时间。对于某一按指数规律...

发表于 2017-11-15 12:57 2547次阅读
电路时间常数怎么求

积分电路的特点及应用

因C1两端电压不能突变,在输入信号上升沿至平顶阶段,输入信号经R1对C1充电,C1两端电压因充电电荷...

发表于 2017-11-15 11:03 3114次阅读
积分电路的特点及应用

积分电路计算公式

下图是一个典型的积分电路图。由图可以看出,输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上,但此时认为电容...

发表于 2017-11-15 10:21 3057次阅读
积分电路计算公式