一種Bipolar帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計.pdf

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1、第一章引言基準(zhǔn)電壓源或電壓參考(VoltageReference)通常是指在電路中用作電壓基準(zhǔn)的高穩(wěn)定度的電壓源.隨著集成電路規(guī)模的不斷增大，尤其是系統(tǒng)集成技術(shù)(SOC)的發(fā)展，它也成為大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路和幾乎所有數(shù)字模擬系統(tǒng)中不可缺少的基本電路模塊。在許多集成電路和電路單元中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器，都需要精密而又穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn).在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，DAC根據(jù)呈現(xiàn)在其輸入端上的數(shù)字輸入信號，從DC基準(zhǔn)電壓中選擇和產(chǎn)生模擬輸出;在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，DC電壓基準(zhǔn)又與模擬輸入信號一起用于產(chǎn)生數(shù)字化的輸出信號。在精密測量儀

2、器儀表和廣泛應(yīng)用的數(shù)字通信系統(tǒng)中都經(jīng)常把基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)測量和校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。因此，基準(zhǔn)電壓源在模擬集成電路中占有很重要的地位，它直接影響著電子系統(tǒng)的性能和精度.近年來對它的研究也一直很活躍，運用雙極型工藝制成的基準(zhǔn)電壓源已能達(dá)到相當(dāng)高的性能和精度。在許多集成電路和電路單元中，如數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器，都需要精密而又穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn).在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，DAC根據(jù)呈現(xiàn)在其輸入端上的數(shù)字輸入信號，從DC基準(zhǔn)電壓中選擇和產(chǎn)生模擬輸出;在模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，DC電壓基準(zhǔn)又與模擬輸入信號一起用于產(chǎn)生數(shù)字化的輸出信號。在精密測量儀器儀表和廣

3、泛應(yīng)用的數(shù)字通信系統(tǒng)中都經(jīng)常把基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)測量和校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。因此，基準(zhǔn)電壓源在模擬集成電路中占有很重要的地位，它直接影響著電子系統(tǒng)的性能和精度.近年來對它的研究也一直很活躍，運用雙極型工藝制成的基準(zhǔn)電壓源已能達(dá)到相當(dāng)高的性能和精度。1.1帶隙基準(zhǔn)電壓源的研究現(xiàn)狀零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源，是人們在電子儀器和精密測量系統(tǒng)中長期追求的一種基本部件。傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓源是基于晶體管或穩(wěn)壓管的原理制成的，其電壓?3?4溫漂在mV/℃級，電壓溫度系數(shù)高達(dá)10V/℃--10V/℃，根本無法滿足現(xiàn)代電子測量的需要.隨著帶隙基準(zhǔn)電壓源的問世，上述愿望才變?yōu)楝F(xiàn)實.帶隙基準(zhǔn)電壓源由

4、于其在電源電壓、功耗、長期穩(wěn)定性等方面的獨特優(yōu)勢，一直為設(shè)計師所研究和關(guān)注，因而得到了更廣泛的應(yīng)用。在帶隙基準(zhǔn)電壓源電路的發(fā)展過程中，雙極型電路最為成熟，由于采用了帶隙基準(zhǔn)或齊納擊穿電壓作為穩(wěn)定的電壓單元，使其在精度和穩(wěn)定性方面都達(dá)到了相當(dāng)高的水平。而在MOS電路中，由于器件的選擇有限，而且器件的基本參數(shù)與工藝參數(shù)都對溫度有著強烈的依賴關(guān)系，給電路設(shè)計帶來了一定的困難。但是，由于MOS電路，特別是CMOS電路的低功耗、高噪容、高集成度和高抗干擾等獨特優(yōu)點，以及其高速問題的逐步解決，使得CMOS技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，相繼出現(xiàn)了電流密度比補償型、弱反型工作型和多晶硅

5、柵功函數(shù)差型等多種CMOS集成帶隙基準(zhǔn)電壓源，并且隨著電路結(jié)構(gòu)的不斷改進和新技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，其性能也在不斷提高.研究這些電壓源的電路結(jié)構(gòu)，可以從中得到許多啟示，并對以后的電路設(shè)計起到重要的指導(dǎo)意義。1.2本文的選題意義和研究內(nèi)容一、意義：高密度數(shù)字集成制作技術(shù)的突破結(jié)合EDA的成就，使得單片數(shù)字系統(tǒng)集成已成為現(xiàn)實，研究能直接與自然界物理電信號聯(lián)系的完整意義上的系統(tǒng)集成芯片已成為研究者著重關(guān)注的目標(biāo)。完整意義上的系統(tǒng)集成技術(shù)的核心是模擬電路系統(tǒng)與數(shù)字電路系統(tǒng)的兼容集成，實際上就是利用“電路結(jié)構(gòu)”和“制作工藝”兩個可變量的調(diào)整，使得完整系統(tǒng)能統(tǒng)一集成。顯然成本最低

6、的是采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路制作工藝，同時又能兼容制作集成模擬電路。這些條件對當(dāng)今系統(tǒng)集成中模擬電路的發(fā)展提出了一系列的新要求:低電壓、低功耗、高速化。二、主要工作:1.閱讀各種關(guān)于基準(zhǔn)源的paper,對基準(zhǔn)源做充分的了解.根據(jù)對基準(zhǔn)源的認(rèn)識,選擇一種電路結(jié)構(gòu),并根據(jù)需求對電路進行修改.然后分析電路工作過程及狀態(tài).2.推演此基準(zhǔn)源各參數(shù)的表達(dá)式,并根據(jù)一些設(shè)定值推導(dǎo)各個BJT管的參數(shù)及各個電阻阻值.3.根據(jù)所確定的參數(shù)值,用Hspice仿真電路.并適當(dāng)調(diào)整某些參數(shù)值,使基準(zhǔn)源的溫漂,PSRR,穩(wěn)定性達(dá)到bipolar帶隙基準(zhǔn)源的要求.第二章帶隙基準(zhǔn)電壓源的研究2.1基

7、準(zhǔn)電壓源的分類及特點理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)不受電源和溫度的影響，在電路中能提供穩(wěn)定的電壓，“基準(zhǔn)”這一術(shù)語正說明基準(zhǔn)電壓源的數(shù)值應(yīng)比一般電源具有更高的精度和穩(wěn)定性。一般情況下，可用電阻分壓作為基準(zhǔn)電壓，但它只能作為放大器的偏置電壓或提供放大器的工作電流。這主要是由于其自身沒有穩(wěn)壓作用，故輸出電壓的穩(wěn)定性完全依賴于電源電壓的穩(wěn)定性。另外，也可用二極管的正向壓降作為基準(zhǔn)電壓，它可克服上述電路的缺點，得到不依賴于電源電壓的恒定基準(zhǔn)電壓，但其電壓的穩(wěn)定性并不高，且溫度系數(shù)是負(fù)的，約為-2mV/℃。還可用硅穩(wěn)壓二極管(簡稱穩(wěn)壓管或齊納管)的擊穿電壓作為基準(zhǔn)電壓，它可克服正向

8、二極管作為基準(zhǔn)電壓的一些缺點，但其溫度