单位文秘网 2022-02-24 08:20:01 点击: 次
摘要: 通过对Brokaw带隙基准电压电路的改进,设计出具有基准启动电路、带隙基准电压源核心电路、曲率补偿电路、输出过温保护电路的低温漂过温保护带隙基准电压源,它具有低温漂、功耗低、电源抑制比高、结构简单、易于集成等特点。
关键词: 基准启动电路;带隙基准电压源核心电路;曲率补偿电路;输出过温保护电路
中图分类号:TN432 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0710100-01
一个有效的基准电压源应在一定的范围内基本上与电源电压变化、工艺参数变化及温度无关。基准电压源广泛应用于模拟集成电路、数模混合电路及系统集成芯片中,一个精确的高电源抑制与温度抑制的基准电压的设计是至关重要的,其基准电压源的精度直接影响到所应用电路的精度。一个好的基准电压源,不仅要求高电源抑制比(PSRR)、低功耗,还必须在较宽的温度范围内具有尽可能低的温度系数。本文设计了一个低温漂、低功耗、高精度、高电源抑制与过温保护的基准电压源。
图1所示为本文设计的低温漂带隙基准及过温保护电路。它包括四个部分:基准启动电路、带隙基准电压源核心电路、曲率补偿电路、输出过温保护电路。
1 基准启动电路
为了保证电源通电后,迅速建立稳定的工作点,设计基准启动电路,通过此电路来摆脱初始偏置点,避免了电源通电后始终保持在初始零电流状态,如图1所示。图1中Q1和R1组成了基准启动电路。基准使能信号REF_EN接在Q1的基极上,高电位有效。电源开始通电后流过R1的电流很小,耗尽型N沟道MOS管MP1、MP2、MP3的栅极电位均很低,因此电流能够流过这三条支路,基准电压迅速建立。基准电压正常后流过R1的电流增大,Q1的基级和射极间电压UBE降低,流过Q1的电流减小,基准启动过程完成。
2 带隙基准电压源核心电路
在Brokaw带隙基准电压电路[1]中,本设计直接采用电流镜实现电流匹配,电流镜MP1、Q3、Q6使得流过Q4、Q7的集电极电流相等。MP1不仅起到电流镜像的作用,还将电源电压与带隙核心电路相隔离,减小了由于电源电压波动而造成的电路不稳定现象,增大了电源电压抑制比。在图1中,电源电压经过Q9耦合到Q4集电极的小信号纹波通过C1滤除掉。Q5、Q6、Q7、Q9形成的闭合的负反馈环路可以稳定V_REF输出电压。
3 曲率补偿电路
通常的带隙基准电路只消除了BJT中VBE与温度相关的一次项,因此导致输出电压中仍含有高阶温度特性的影响量[2],因此要对VBE中与温度相关的非线性项加以补偿。在本设计中采用了二阶曲率补偿方式,R5和Q8起到在高温时对基准输出电压进行曲率补偿的作用。当温度较低时,R3上的压降也较小,Q8处于截止状态。随着温度升高,R3上的压降也增大,当达到Q8开启电压时导通,Q8的发射极电流IC作用在R4上,导致基准输出电压在高温时提高,补偿基准输出电压的二阶温度特性。Q8的射级电阻R5起到避免因补偿电流过大而导致基准输出电压过高的作用。本设计具有补偿效果明显的特点。
4 输出过温保护电路
为避免输出负载电流变大而导致芯片内部温度激增,因此设计了输出过温关断保护电路。同时,为避免在过温保护阈值点附近出现反复关断开启的热振荡现象,在过温保护电路中设计了热滞回电路。当温度高于140℃时,过温保护电路输出信号VOTPOUT由高电平变为低电平,关断芯片内其它模块,避免了高温烧毁现象;当温度降低至140℃后VOTPOUT不会迅速变为高电平,在低于130℃后即经过10℃的滞回量过温保护中止,VOTPOUT变为高电平,芯片内各模块恢复正常工作。10℃的滞回量的设计能有效防止在过温阈值附近出现反复关断开启的热振荡现象,如图1所示。当芯片温度低于140℃时,Q12处于截止状态,Q12的集电极电位经过U1A、U2B后VOTPOUT输出为高电平,工作温度正常。当芯片温度高于140℃时,Q12的基极射极间电压UBE(Q12)大于开启电压VBEON(Q12),Q12导通,Q12集电极电位降低,VOTPOUT输出为低电平。
综上所述,本文设计的这种带有基准启动电路、二级曲率补偿电路,使输出的基准电压在整个宽温度范围内都很稳定。过温保护模块固有的滞回量可以很好地防止热振荡,使输出可以保证很高的温度灵敏度。具有低温漂、低功耗、高电源抑制比、结构简单、易于集成等特点。本文对于低功耗、低温漂的基准电压源设计有一定的理论指导作用。
基金项目:辽宁省教育科学“十一五”规划项目(项目号:JG08DB225),课题主持人:李永清
参考文献:
[1]沈勇、解光军,一种无需运放的低温漂带隙基准源设计[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2010(6).
[2]李桂红,集成电路设计宝典[M].北京:电子工业出版社,2006:262-276.
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