高精度指数型温度补偿带隙基准电路的分析与设计

摘要

在集成电路设计中，经常需要用到稳定的参考电压源。用简单的电流源作为集成电路的偏置源有不可避免的缺点，例如，电流源输出电流与电源电压成比例并对温度敏感等。因此，需要设计出能克服以上缺点的精密参考源。近年来，模拟集成电路设计技术随着CMOS工艺技术一起得到了飞速的发展，芯片系统集成（system on chip）技术已经受到学术界及工业界广泛关注，随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A／D、D／A转换器，滤波器电路以及锁相环等电路提出了更高精度及速度的要求，由于带隙基准源电路的输出电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响，这就使得片内集成的带隙基准源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。 在这些电路中，基准电压源的特性（如基准电压值V<,REF>、温度系数TC、温度范围T<,R>、功耗等）直接决定着这些电路的性能。随着数模混合电路和模拟集成电路的进一步发展，在集成电路内部设计中需要更高质量的内部稳压参考源，对内部稳压参考源的性能提出了更高的要求，例如，低温度系数、低运放失配、低输出噪声和高电源抑制比等。由于转换器系统的分辨率的提高，对基准电压的温度稳定性的要求也相应增加。然而，由于输出电压的温度特性是一条曲线，一阶温度补偿的基准电压的温度稳定性具有一定的局限性。为了克服带隙基准的这个缺点，发展了一些诸如二阶曲率补偿，指数型曲率补偿，直接对V<,BE>进行线性化，温度分段补偿等针对基准的温度曲率进行补偿的基准电路。 本文在详细介绍带隙基准一阶补偿技术的基本原理的基础上，对二阶曲率补偿，指数型曲率补偿，温度分段补偿等带隙基准的温度补偿技术的原理进行了详细的分析和介绍，并对几种技术的优缺点进行了分析和对比。尤其对利用Bipolar管的电流增益随温度呈指数型变化的规律对带隙基准进行温度补偿的指数型温度补偿技术进行了重点分析，并将其与二阶曲率补偿技术做了比较。由于指数型温度补偿技术具有温度漂移小、面积小等特点，能够很好的满足SDC／RDC对基准电压准精度和稳定性的要求，并且兼顾生产成本，所以在此项目中采用了这种带隙基准电路。这个带隙基准电路能够在-12V-＋12V的电源电压下，在－40℃至＋85℃温度范围内，产生7.3V的基准电压，并能与0.8μm标准BiCMOS工艺兼容。 另外，针对带隙基准电路日益提高的对精确性的要求，本文对基准电路可能产生误差的几种原因（诸如运放的输入失调和有限增益、有限电源电压抑制比（PSRR）所产生的误差，电流镜失配引进的误差，PNP管集电极面积比的误差，PNP管的β和欧姆电阻差，电阻比的误差等）进行了分析，并针对这些原因提出了减小误差的方法。并在SDC／RDC电路中应用了共源共栅结构以提高电源抑制比。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章基于一阶温度补偿技术的带隙电路的基本原理

第三章几种各具特点的带隙电路温度补偿技术

第四章带隙基准电路中的误差

第五章SDC/RDC芯片中的带隙电路

第六章总结

参考文献

致谢

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