介紹一種運用曲率補償的帶隙基準源電路

精品文檔-下載后可編輯介紹一種運用曲率補償的帶隙基準源電路1引言

帶隙是半導體量子物理的名詞，帶是能量帶，隙是兩帶之間的電勢差。晶體管的PN結壓降與這有關。帶隙基準源是利用三極管的Vbe的特性做出來的低溫度系數的電壓基準。

帶隙基準源廣泛應用于各類集成電路之中。本文介紹帶曲率補償的帶隙基準源的原理，并將其與傳統(tǒng)帶隙基準源進行比較，突出其在溫度特性上的優(yōu)點，并介紹一種運用曲率補償的帶隙基準源電路。

2傳統(tǒng)帶隙基準源原理

帶隙基準的原理是產生分別帶正溫度系數和負溫度系數的電壓，然后通過電路讓其相加得到溫度系數很小，甚至沒有溫度系數的電壓。傳統(tǒng)帶隙基準的電路結構如圖1所示。我們可以得到：

正溫度系數電壓由工作在不同電流密度的兩個雙極型晶體管產生，其結電壓VBE的差值△VBE就表現出正溫度系數。當兩個晶體管的尺寸相同，但集電極的電流分別是nIS1IS2。那么可得：

其中IS1=IS2。該溫度系數與溫度或集電極電流特性無關。

上述帶正負溫度系數的電壓，通過如圖1所示方式相加，可得：

為了得到零溫度系數，可以通過調整R2，R3的大小得到。但是傳統(tǒng)帶隙基準源在工作溫度變化幅度比較大時，輸出電壓的精度會變低。

3運用曲率補償的帶隙基準源

3.1曲率補償的帶隙基準源原理

雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE并不隨溫度線性變化，而是由式（5）確定：

其中，VBG是硅的能隙電壓，它只與材料本身有關。從上式可以看出，VBE可分為常數項，與溫度一階相關項和高階相關項。在傳統(tǒng)帶隙基準源中，正溫度系數只補償了一階相關項，得到的電壓與溫度高階相關。

因此，為了消除高階項對電壓的影響，電路中要引入帶正溫度系數的高階項電壓。式（5）中，當流過二極管的電流為PTAT電流時，a=1?？傻茫?/p>

當流過二極管的電流與溫度不相關時，a=0?？傻茫?/p>

將式（6），式（7）相減，即可得與溫度高階相關項成正比的電壓。

3.2帶隙基準源電路結構及其分析

圖2所示為新型帶隙基準源電路的部分。相比傳統(tǒng)帶隙基準電路中采用運算放大器的兩端產生等電位的方式，該電路使用的方式更加。該電路不僅能產生帶隙基準電壓源，而且能產生帶隙基準電流源。

圖2中，Q1，Q2，R1，R2，R3產生了帶隙基準電路的一階溫度補償。Q1和Q2流過的電流相等。Q1的尺寸是Q2的4倍，那么流過R2的電流為：

由基爾霍夫定律，將式（9），式（10），式（13）相加后，可以得到流過該電流源的電流，并通過鏡像電流源產生與溫度不相關的電壓Vref，其輸出電壓表達式為：

式（14）中，I2可對輸出電壓進行一階溫度補償，I3可對輸出電壓進行二階溫度補償。

4仿真結果與分析

本文基于0.6μm的CMOS工藝模型，并用Spectre進行了仿真。圖3給出了經過曲率補償后的溫度掃描曲線。經過二次曲率補償的曲線，在-50～+125℃的溫度范圍中，和值之差僅為1.98mV，平均溫度系數為4.47ppm／℃。

5結語

本文分析了傳統(tǒng)帶隙基準電路和帶曲率補償的帶隙基準電路，在理論上闡述了傳統(tǒng)帶隙基準的不足以及帶曲率補償帶隙基準電路的先進之處，提出了一種帶曲率補償的帶隙基準源電路