带过温保护功能的高精度带隙基准电压电路设计

摘要

带隙基准电压源是电源管理芯片系统中是不可缺少的一部分，在模数转换器、数模转换器、片上系统和线性稳压器等中得到大量应用。近些年来，随着数字集成电路的迅速发展，在功能上可以代替一些模拟电路模块，然而连续信号和模拟信号必须通过模拟集成电路来实现。由于温度的变化、电源噪声和负载波动等外界因素的变化，不会影响基准电压的准确性，可以为系统提供高性能高质量的参考电压，其精度对系统的性能有直接的影响，因此对基准电压源性能的优化改进显得尤其重要，高精度、低功耗和低温漂的基准电压成为当前研究的主要方向。现代电子设备芯片中通常包含有过温保护模块，为了限制芯片的温度和功耗。由于电路长时间工作在重载情况下，会导致芯片的电流增加，直接导致环境温度的变化。如果芯片的散热性不佳，热量会不断积累，使芯片的温度急剧上升，最终将芯片内部的电路烧毁，为了保护芯片必须要限制芯片的温度。
　　本文首先介绍了带隙基准电压的背景和研究意义，以及未来发展方向，然后在理论上对带隙基准电压源的基本原理进行了分析，并对常见的几种基准结构进行分析和对比，包括Kuijk、Widlar、Brokaw和Banba等带隙基准，并且针对传统的带隙基准电压的温度系数高等缺点，设计了一种分段曲率补偿的结构，分别在低温和高温阶段对基准电压的温度曲率进行补偿，降低基准电压的温度系数，达到设计的要求，同时也考虑到整体电路功耗，以较少的电流消耗为代价大幅提高了其精度，整体提升电路的性能，然后介绍了过温保护电路的基本原理，针对传统过温保护电路稳定性差的缺点，本文采用温度系数不同的电流进行比较，产生过温保护信号，提升过温保护电路的稳定性。基于0.18μmBCD工艺，采用Hspice软件仿真，结果表明，电源电压在2.5V至5V的之间变化可以产生1.237V的带隙基准电压，线性调整率为0.0357％，电源电压为5V时，电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio，PSRR)为68.8dB，静态电流功耗低至4.41μA，温度在-40℃至150℃的范围内，基准电压的温度系数为2.84ppm。过温保护电路在电源电压为5V时，温度的上升和下降门限分别为150℃和135.8℃，并且电源电压在2.5V至5V的范围内温度的迟滞量变化为1.61℃。结果表明，基准电压的温度系数经过曲率补偿后大大降低，并且电路具有较低的工作电流，表现出优良的性能，满足了基准源的低功耗和低温漂的设计要求;过温保护电路在电源电压波动时，其温度阈值和迟滞量具有较强的的稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外发展现状

1．3 本文主要工作

第2章 带隙基准的理论研究

2．1 带隙基准电压的主要参数

2．1．1 温度系数

2．1．2 电流功耗

2．1．3 电源抑制比

2．1．4 线性调整率

2．2 基本的半导体特性

2．2．1 阈值电压

2．2．2 亚阈值电压

2．2．3 负温度系数电压

2．2．4 正温度系数电压

2．3 带隙基准电压结构

2．3．1 基准电压的基本原理

2．3．2 传统的带隙基准结构

2．4 带隙基准电压的曲率补偿方法

2．4．1 指数补偿

2．4．2 分段线性补偿

2．4．3 PTAT电压平方的补偿

2．4．4 对数补偿

2．4．5 修调技术

2．5 过温保护基本原理

2．5．1 过温保护电路的作用

2．5．2 过温保护电路的原理

2．6 本章小结

第三章 高性能带隙基准和过温保护电路设计

3．1 自偏置电路和启动电路

3．1．1 自偏置电路

3．1．2 启动电路

3．1．3 启动电路仿真结果

3．2 基准核心电路

3．2．1 基准核心电路的设计

3．2．2 基准核心的电路仿真

3．3 运算放大器的频率特性的分析

3．3．1 运算放大器的小信号

3．3．2 小信号模型分析

3．3．3 运放的仿真结果

3．4 分段补偿电路的设计

3．4．1 本文设计的温度补偿结构

3．4．2 补偿电路的仿真结果

3．5 过温保护模块

3．5．1 基本的过温保护电路框架

3．5．2 基本的过温保护电路仿真

3．5．3 过温保护电路的设计

3．6 本章小结

第四章 带过温保护功能的带隙基准电路的仿真与分析

4．1 基准电压的线性调整率

4．2 带隙基准电压的温度特性

4．3 基准电压的交流仿真

4．3．1 基准电压的电源抑制比仿真

4．3．2 基准电压的环路增益仿真

4．4 基准电压的瞬态仿真

4．5 过温保护电路的仿真结果

4．6 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文