一種高溫高壓的溫度補償方法

一種高溫高壓的溫度補償方法

1鉗位互補補償技術(shù)標準電壓源廣泛應用于各種模擬電路、數(shù)模混合信號電路和系統(tǒng)芯片（套）中。這是電路的基本功能，其穩(wěn)定性直接影響整個系統(tǒng)的精度。然而,傳統(tǒng)帶隙基準電路只進行了一階溫度補償,沒有考慮到偏置穩(wěn)定性所帶來的間接影響,精度較低。本文采用了一種指數(shù)曲率補償法,通過引入高階正溫度系數(shù)項來抵消基極-發(fā)射極電壓的非線性部分,解決了高階溫度補償問題。針對偏置電流影響基準輸出的問題,提出了一種鉗位互補補償技術(shù)來穩(wěn)定偏置。該設計充分綜合雙極型器件高跨導、強負載能力及CMOS器件高輸入阻抗、低功耗的特點,大大降低了基準的溫度系數(shù),提高了電源抑制特性和抑制比,使電路的性能得到優(yōu)化。2vbe輸出電壓如圖1所示,傳統(tǒng)的帶隙電路主要是利用雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE具有負溫度系數(shù),而兩個不同電流密度的雙極型晶體管之間的基極-發(fā)射極電壓差ΔVBE具有正溫度系數(shù),將其乘以合適的系數(shù)K后,再與前者進行加權(quán),即:VREF=VBE+KΔVBE,從而在一定范圍內(nèi)抵消VBE的溫度漂移效應,得到低溫漂的輸出電壓VREF。K值通過將VBE的表達式帶入VREF中,在參考溫度T0處,令?VREF?Τ|Τ=Τ0=0求得。但是,在實際應用中,存在著許多問題。根據(jù)文獻,可以推導出:VBE(Τ)=VG0-VG0-VBE0Τ0Τ-(γ-α)VΤln(ΤΤ0)(1)式中,α、γ為與工藝相關(guān)但與溫度無關(guān)的系數(shù),VG0、VBE0分別為T0溫度下硅的能隙電壓和基極-發(fā)射極電壓。由(1)式可知,VBE的表達式中不僅有溫度的一次項,而且有非線性項,采用傳統(tǒng)帶隙電壓原理,只對VBE中溫度T的一次項進行了補償。為了獲得更好的溫度特性,就要考慮在一階補償?shù)幕A(chǔ)上,對其非線性部分進行補償。此外,電源電壓的變化及其引起的偏置電流的變化,都會對基準的精度造成影響。為得到高性能的基準,設計時,必須將這些問題都考慮在內(nèi)。3運算放大器mp1圖2為本文針對以上主要問題進行補償后所設計的整體電路。該電路主要由基準核心電路、偏置電路和運算放大器三部分組成。核心電路在原傳統(tǒng)帶隙電路的基礎(chǔ)上改進得到,包含一個由R9、R10、QN1、QN2、QN6和運放組成的傳統(tǒng)負反饋回路,抑制電源變化對基準的直接影響。運算放大器為一個電流源作負載的二級運放,具有很高的放大倍數(shù);運放輸出接有射隨器,可提高其帶負載的能力和輸出的穩(wěn)定性。偏置電路中,外電路為MP1提供一個跟隨電源電壓變化的合適偏置,使其VGS恒定;由于電路中各MOS管均工作在飽和狀態(tài),理論上,MP1的漏極電流保持不變,從而通過映射關(guān)系為運放提供恒定的偏置電流,保證基準的穩(wěn)定和高精度。3.1基準的基本工作原理表1取R1=R2,則同模型晶體管QN1、QN2的集電極電流、基極電流分別相等,分別用I和IB表示。由于這兩個晶體管發(fā)射區(qū)面積不相等,為M∶1,所以,其基極-發(fā)射極電壓VBE也不相等,由晶體管原理和電路推導可知,I可近似表示為:Ι=VΤlnΜR3(2)式中,VT=kT/q為熱電壓。則基準電壓為:VREF=R8R7+R8{(1+R9R5+R6)×(VBE2+2R4VΤlnΜR3)+2[R9-(1+R9R5+R6)R4×R10R3]ΙB}(3)由于IB=I/β,β是晶體管的電流增益,與溫度有關(guān);β(T)可表示為:β(Τ)=β∞exp(-ΔEGkΤ)(4)式中,β∞和ΔEG都是與溫度無關(guān)的常量,ΔEG稱為晶體管發(fā)射區(qū)帶隙能量衰減因子,正比于發(fā)射區(qū)摻雜濃度。由(1)、(3)、(4)式可得:VREF=R8R7+R8(1+R9R5+R6VG0+R8R7+R8×(1+R9R5+R6)(2klnΜq×R4R3-VG0-VBE0Τ0)Τ+2[R9-(1+R9R5+R6)R4R3×R10]klnΜR3qβ∞Τexp(ΔEGkΤ)-(λ-α)R8R7+R8(1+R9R5+R6)×kqΤln(ΤΤ0)(5)即:VREF=Κ0VG0+Κ2(2AΚ1-B)Τ+{Κ2Aβ∞Τexp(ΔEGkΤ)-CΚΤ0Τln(ΤΤ0)}(6)式中,A、B、C均為正常量;K0、K1、K2可通過改變電阻值調(diào)節(jié),也為正值?？梢?基準由常數(shù)項、溫度一次項、溫度非線性項三部分組成;其溫度補償原理如下:設y1=Κ2Aβ∞Τexp(ΔEGkΤ)?y2=-CΚ0Τln(ΤΤ0),選取電阻值,可得基準非線性部分圖形,如圖3所示?？梢?在所考慮溫度范圍(233～373K)內(nèi),y1、y2一個曲率為負,一個曲率為正,這就存在曲率補償?shù)目赡?。首?通過調(diào)節(jié)R10來調(diào)整K2的值,使y1彎曲的部分與y2的近似相等,但曲率相反。這樣,兩者的曲率部分就可以相互補償,只剩下一次項部分;然后,通過調(diào)節(jié)R3、R4來調(diào)整K1,使整個基準的溫度一次項(包括(6)式第二部分的一次項及非線性項部分補償后剩下的一次項)趨近于零;最后,通過調(diào)節(jié)R5～R9來調(diào)整K0,以獲得所需要的基準值。由于各參數(shù)之間存在相互影響的部分(有一些公用電阻),所以,需要反復調(diào)節(jié),以達到最好的補償效果。另外,在實際制作版圖時,可預先排列好若干電阻,通過布線,將這些電阻串并聯(lián),以得到所需要的阻值。3.2運放偏置電流的傳統(tǒng)設定實際中,由于運算放大器放大倍數(shù)有限,使得A、B兩點間存在一個差值ΔuI。設運算放大器放大倍數(shù)為A,由文獻,推得A可近似表示為:A=β22R13[R7+R8+VΤΙD](7)式中,ID為MP4的漏極電流,即運放的偏置電流。在電源電壓變化時,其他各量均不變化,放大倍數(shù)僅由ID決定。由于ΔuI=ΔVREF/A,則基準可重新表示為:V′REF=VREF-2R8R7+R8[R9βR3+(1+R9R5+R6)×R4R3(VΤ-R10βR3)]ΔVREFA(8)可見,偏置電流的變化對基準有影響。為了獲得高穩(wěn)定性的輸出,必須保證偏置電流的恒定。傳統(tǒng)偏置電路沒有采用三極管QN9,運放偏置電流的變化主要由溝道長度調(diào)制效應引起。取MP2∶MP3∶MP4=1∶1∶1,QN7∶QN8=1∶1,則MP1的漏電流IMP1等于運放的偏置電流,可以表示為:ΙD=ΙΜΡΙ=12μnCoxWL(VGS-VΤΗ)2(1+λVDS)(9)式中,λ是溝道長度調(diào)制系數(shù);W、L分別是溝道的有效寬度和長度,μn為器件的表面遷移率,Cox為單位面積柵氧化電容,VTH為閾值電壓,VGS已知為恒定值。在沒有接入QN9時,運放偏置電流ID也等于ICQN8。當電源電壓變化時,設MP1的VDS變化了ΔVDS,則運放的偏置電流變?yōu)?ΙD′鉗位互補補償技術(shù)在偏置電路中引入三極管QN9。引入QN9后,運放偏置電流等于ICQN8與ICQN9之和(ICQN8仍是IMP1的鏡像電流),QN9的基極電位被基準鉗位,發(fā)射極電位隨ICQN8變化?？傻闷秒娏髯?yōu)?ID=ΙMP1+ISexp[(VREF-IMP1R16)/VT](11)當IMP1變化ΔIMP1時,QN9的集電極電流變?yōu)?ΙCQΝ9=ΙSexp[(VREF-ΙΜΡ1R16)/VΤ]exp(ΔΙΜΡ1R16/VΤ)(12)此時,偏置電流為:Ι′D=ΙΜΡ1+ΔΙΜΡ1+ΙSexp[(VREF-ΙΜΡ1R16)/VΤ]exp(ΔΙΜΡ1R16/VΤ)(13)與(11)式相比,可見,當IMP1變化ΔIMP1時,ICQN9會反向變化;結(jié)果,一個增大,另一個減小,從而使偏置電流的總量基本保持恒定,大大降低了其對基準的影響。4曲線及結(jié)果分析通過上面的分析,初步確定該電路各器件尺寸。采用Hspice軟件進行仿真,采用全典型模型,仿真條件為:溫度范圍:-40～100℃;電源電壓范圍2.6～6.6V。在3.3V電源電壓下,對溫度在-40～100℃的范圍內(nèi)進行直流掃描,得到的基準電壓曲線如圖4所示。在25℃下,對電源電壓在2.6～6.6V的范圍內(nèi)進行直流掃描,得到的基準電壓曲線如圖5所示。曲線1是未接入QN9時的基準輸出,曲線2是接入QN9后的基準輸出。據(jù)此計算出的基準電壓變化量、電源抑制比和溫度系數(shù)列于表1。傳統(tǒng)帶隙基準的溫度系數(shù)為100ppm/℃左右;即使是現(xiàn)在經(jīng)過改進的結(jié)構(gòu),溫度系數(shù)也在10ppm/℃左右;而本設計的溫度系數(shù)只有1.43ppm/℃,與其相比,幾乎降低了一個數(shù)量級。經(jīng)過溫度補償后,從圖4中可以看出,在-6～36℃范圍內(nèi),溫度系數(shù)均為零,與現(xiàn)在大多數(shù)只在某個溫度點上溫度系數(shù)才為零的結(jié)構(gòu)相比,顯示了其優(yōu)越的性能。通過比較可見,鉗位互補補償進一步提高了電路的直流穩(wěn)壓特性,得到了相當高的直流電源電壓抑制比。顯然,該電路具有明顯的優(yōu)勢和工程應用價值。與國際上經(jīng)典電路的主要指標進行比較,結(jié)果列于表2。5高階溫度補償本文所設計的基于BiCMOS工藝的帶隙基準電路結(jié)構(gòu)較簡單。通過深入研究基極-發(fā)射極電壓的非