帶隙基準(zhǔn)實驗報告

1、基本帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計一、實驗要求1、設(shè)計出基本的帶隙基準(zhǔn)2、設(shè)計出低壓帶隙基準(zhǔn)二、實驗?zāi)康?、掌握 PSPICE的仿真2、熟悉帶隙基準(zhǔn)電壓設(shè)計的原理三、實驗原理模擬電路廣泛的包含電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)。 這種基準(zhǔn)是直流量， 它與電源和工藝參數(shù)的關(guān)系很小， 但與溫度的關(guān)系是確定的。 產(chǎn)生基準(zhǔn)的目的是建立一個與電源和工藝無關(guān)， 具有確定溫度特性的直流電壓或電流。 要實現(xiàn)基準(zhǔn)電壓源所需解決的主要問題是如何提高其溫度抑制與電源抑制， 即如何實現(xiàn)與溫度有確定關(guān)系且與電源基本無關(guān)的結(jié)構(gòu)。由于在現(xiàn)實中半導(dǎo)體幾乎沒有與溫度無關(guān)的參數(shù)，因此只有找到一些具有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的參數(shù)， 通過合適的組合， 可以得到

2、與溫度無關(guān)的量，且這些參數(shù)與電源無關(guān)。負(fù)溫度系數(shù)電壓：雙極性晶體管的基極 -發(fā)射極電壓，或者更一般的說， p-n 結(jié)二極管的正向電壓，具有負(fù)的溫度系數(shù)。正溫度系數(shù)電壓： 如果兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下， 那么它們的基極 -發(fā)射極電壓的差值與絕對溫度成正比，且正溫度系數(shù)與溫度或集電極電流的特性無關(guān)。利用上面得到的正、 負(fù)溫度系數(shù)的電壓， 通過合適的組合， 我們就可以設(shè)計出一個零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)。 由于這個基準(zhǔn)電壓與硅的帶隙電壓差不多， 因而稱為帶隙基準(zhǔn)。1、基本帶隙基準(zhǔn)1.1 基本的原理圖如圖1 所示：圖 1 基本帶隙基準(zhǔn)原理圖其中， MOS 管 M1-M3 的寬長比相同， Q1 由

3、n 個與 Q2 相同的晶體管并聯(lián)而成。運放起嵌位作用，使得 X 點和 Y 點穩(wěn)定在近似相等的電壓。1.2 帶隙電壓公式推導(dǎo)：VBE對于一個雙極性晶體管， 我們可以寫出其集電極電流公式為 : ICI Se VT ，其中VTkT， I S 為飽和電流，則可以推導(dǎo)出：qVEBVTln I C 。（ 1）I S假設(shè)運算放大器的增益足夠高，在忽略電路失調(diào)的情況下有：I R1VEB 2 VEB1I R2R2VT ln I CVT lnICI SnI SR2VT ln n（ 2）R2則帶隙基準(zhǔn)電壓為：VrefVEB3I R1 R1 VEB3R1VT ln n（ 3）R2其中， VEB 具有負(fù)溫度系數(shù)， VT

4、 具有正溫度系數(shù)，這樣，通過調(diào)節(jié)n 和 R1 ，就R2可以使 Vref 得到一個零溫度系數(shù)的值。一般在室溫下，有：VEB/ T1.5mV / K（ 4）VT/ T0.087mV / K為了使VrefVEB/ TR1ln n VT / T1.5 0.087 R1 ln n0（5）R2R2則R1ln n17.2 ，（ 6）R2Vref VBE 317.2VT（ 7）1.2、低壓帶隙基準(zhǔn)低壓帶隙基準(zhǔn)原理圖如圖2 所示：圖 2 低壓帶隙基準(zhǔn)原理圖其中， MOS 管 M1-M3 的寬長比相同， Q1 由 n 個與 Q2 相同的晶體管并聯(lián)而成。 R3R4 。VrefR1( VEB 2VEB1VEB2 )R

5、2R3R1(VEB 2R3VT ln n)（ 8）R3R2同基本帶隙基準(zhǔn)電壓相同，若要得到一個零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，則：R3ln n 17.2（ 9）R2四、實驗步驟1、基本帶隙基準(zhǔn)1.1 實驗原理圖基本帶隙基準(zhǔn)電路圖如圖3 所示：圖 3 實驗原理圖根據(jù)公式（ 7），可以得到該電路的輸出電壓為：VREFVBE 5R1 VT ln nR21.25V通過給定的偏置電流值設(shè)置好各個MOS 管和晶體管的參數(shù)，然后對整個電路進(jìn)行直流掃描分析（ DC Sweep），以溫度為變量，得到一條仿真曲線，如圖3所示：圖 3 輸出電壓 -溫度仿真曲線圖通過曲線圖，我們可以看到，在-55-125的溫度范圍內(nèi)，輸出電壓

6、穩(wěn)定在1.1604-1.1627V 之間，初始精度在7%之內(nèi)。溫度漂移系數(shù)為： 1.1627 1.160410.2 ppm / 1.25(12555)1.2 運放的環(huán)路增益及相位余度在運放的輸出端加一個正弦信號源激勵和電感，仿真電路圖如圖4 所示。圖 4 運放的環(huán)路增益及相位余度仿真電路圖然后最整個電路進(jìn)行交流分析（AC Sweep）.仿真波形圖如圖 5 所示：圖 5 仿真波形圖此時的相位余度為 360-354.4=5.6。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時得到比較快的時間響應(yīng)，相位余度最好能達(dá)到 60。因此應(yīng)對運放進(jìn)行頻率補償。補償電路如圖 6 所示：圖 6 補償電路圖在運放的輸出端接一個電容到地， 實現(xiàn)運放的頻率補償。 通過進(jìn)行交流分析 （AC Sweep），調(diào)整電容值，得到仿真波形圖如圖 7 所示：圖 7 經(jīng)過補償后的仿真波形圖此時電容值為 0.2pF，相位余度為360-308.6 =51.4。2、低壓帶隙基準(zhǔn)仿真電路圖如圖8 所示：圖 8 低壓帶隙基準(zhǔn)仿真電路圖根據(jù)公式（ 8），可以得到該電路的輸出電壓為：通過給定的偏置電流值設(shè)置好各個 MOS 管和晶體管的參數(shù)，然后對整個電路進(jìn)行直流掃描分析（ DC Sweep），以溫度為變量，得到一條仿真曲線，如圖 9 所示：圖 9 低壓帶隙基準(zhǔn)仿真波形圖通過曲