適用于寬電源電壓幅度的高精度雙極帶隙基準電路

　　設計并實現了一種bipolar工藝下的高精度帶隙基準電路，通過Hspice驗證，具有2.28×10-6 K-1的溫度系數，在△V=10V的寬電源電壓幅度范圍作用下，具有1.2mV/V電源抑制特性及直流PSRR=79dB的高電源抑制比。

　　引言

　　電壓基準廣泛地應用在模擬電路中，在A/D、D/A的集成電路設計中，也需要基準來確定其輸入或輸出的全程范圍。隨著電路系統(tǒng)的不斷復雜化，對基準源的要求也越來越高。盡管MOS器件的許多參數已被考慮用于基準產生，但雙極電路，因其晶體管的特征參數具有最好的重復性，并能提供正溫度系數和負溫度系數的、嚴格定義的量，形成了此類電路的核心。由于基準源的精度與溫度有關，提高精度必須降低溫度系數。因此本文采用溫度補償及負反饋的方法，大大的降低了基準電壓的溫度系數，并且在寬電源電壓幅度范圍作用下，使其仍具有很好的電源抑制特性和很高的電源抑制比PSRR（Power-Supply RejectiON Ratio）。

　　帶隙基準源原理

　　基準是直流量，它與電源的關系很小，與溫度和工藝有一定的關系。由于基準源的精度與溫度有關，提高精度必須降低溫度系數。采用溫度補償的方法，即在溫度區(qū)域內找到一點，使得基準源的輸出在該點的溫度導數為零，只要此點選取合適，就能獲得較小的溫度系數。

　　圖1為帶隙基準源的原理示意圖。

　　圖1 帶隙基準源的原理示意圖

　　利用熱電壓VT的正溫度系數與雙極型晶體管B、E結電壓VBE的負溫度系數相互補償，以減小溫度漂移。其中VBE的溫度系數在室溫時大約為-2mV/°C。而熱電壓VT=KT/q，其溫度系數在室溫時大約為+0.086mV/°C。將電壓VT乘以常數K以后與電壓VBE相加，便可得輸出電壓VREF為：

　　將式（1）兩端同時對溫度T求微分，并將VBE和VT的溫度系數值代入，令等式值為零，就可求得K的值，它使得帶隙基準電壓的溫度系數值在理論上為零。由于VT與電源值無關，而VBE受電源變化的影響極小，故VREF受電源的影響也很小。

　　高精度帶隙基準電路

　　等效電路結構與分析

　　圖2為文本文介紹的一種雙極帶隙基準電路的等效電路圖。

　　圖2 帶隙基準電路的等效電路圖

　　此帶隙基準電路基本工作原理是通過負反饋，保證穩(wěn)定的輸出電壓。在電路中，雙極型晶體管Q2提供發(fā)射極偏壓為VBE，由取樣電阻R2上的電壓mVREF產生了nVT，其中n/m=K。由以上分析知，選擇適當K，可使兩個電壓的溫度漂移相互抵消，即令：

　　其中：?????

　　將式（3）、（4）代入式（2），有：

　　即理論值K≈26.23，從而由式（1）得到了在某一溫度下溫度系數為零的基準電壓。當然由于不同工藝下的VBE的負溫度系數有很大的差別，K的實際值略有不同。

　　此電路中的運放與常規(guī)運放的不同之處在于其輸入差分對尺寸不同，故亦可理解成為加入一失調電壓。當電阻R2上的電壓等于此失調電壓時，運放處于平衡狀態(tài)。當輸出電壓增加時，R2上的電壓增加，差分信號增大，運放輸出電壓升高，輸出電流減小以抑制輸出電壓的上升；同時，當輸出電壓減小時，差分信號減小，運放輸出電壓降低，輸出電流增大以抑制輸出電壓的下降，從而達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。下文將作對此詳細討論。

　　實際電路結構與分析

　　圖3為本文介紹的雙極帶隙基準電路的實際電路圖。

　　圖3 高精度帶隙基準電路的實際電路圖

　　基準源中的運放AREF由四級組成，輸入級為差分對輸入，經過兩級射隨后，最后經過一級反向放大輸出。晶體管Q7、Q8、Q9構成威爾遜電流源，作為差分對的有源負載，同時完成雙端輸入到單端輸出的轉換。威爾遜電流源具有大的動態(tài)內阻，并且輸出電流受β的影響也大大減小，在設計中選用它使基準電壓的溫度系數有了極大改善。

　　下面以電流關系來闡述此電路補償原理。在圖3中，用ixn表示電流，當x為C、B、E時，表示流經三極管Qn的集電極、基極、發(fā)射極的電流；當x為R時，表示流經電阻Rn的電流。通過分析可以得到：

　　其中i B4、i E5 、i R4為定值，即i C6與i R5、i C4與i B1同方向變化。當該電路處于平衡態(tài)時，i C5也為定值，繼而有：i B4 → i R4 → i B1 → i C1皆為定值