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一種用于D/A轉(zhuǎn)換電路的帶隙基準電壓源的設計

摘要： 本文介紹了帶隙基準電壓源的原理，實現(xiàn)了一個高精度的帶隙基準電壓源電路。此電路在-20℃~100℃的溫度范圍內(nèi)，有效溫度系數(shù)為6.1ppm/℃；電源電壓在1.6V~2.0V 變化時，其電源抑制比為103.7dB。

關(guān)鍵詞： D/A 轉(zhuǎn)換電路帶隙基準電壓源

Abstract：

Key words :

基準電壓源在DAC電路中占有舉足輕重的地位，其設計的好壞直接影響著DAC輸出的精度和穩(wěn)定性。而溫度的變化、電源電壓的波動和制造工藝的偏差都會影響基準電壓的特性。本文針對如何設計一個低溫度系數(shù)和高電源電壓抑制比的基準電壓源作了詳細分析。

從DAC電路的實際工作環(huán)境考慮，電源電壓的變化范圍是1.6V~2.0V ，溫度變化范圍是-20℃~100℃。本帶隙基準電壓源的設計指標為：1. 輸出的基準電壓在1.22V左右；2. 電源抑制比為100dB；3. 基準電壓的溫度系數(shù)小于10ppm/℃。
　　
帶隙基準電壓源的原理

帶隙基準電壓源的基本原理是：利用雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_BE(具有負溫度系數(shù))與它們的差值V_BE(具有正溫度系數(shù))進行相互補償，從

而達到電路的溫度系數(shù)為零的目的。

帶隙基準電壓產(chǎn)生原理圖

圖1 帶隙基準電壓產(chǎn)生原理圖

基準電壓源電路

圖2 基準電壓源電路

        如圖1所示，其運算放大器的作用是當電路處于深度負反饋的情況下，使X、Y 兩點的電壓相等。此時若R₁=R₂，則I₁=I₂，并滿足：

        V_BE1=V_BE2+I₂R₃                     (1)

I₁=I₂=(1/R₃)(V_BE1-V_BE2)=(1/R₃)V_Tlnn (2)

V_OUT=V_BE1+I₁R₁=V_BE1+(R₁/R₃)V_Tlnn (3)

V_OUT即可作為基準電壓。從(3)式可知，基準電壓只與PN結(jié)的正向壓降、電阻的比值以及Q₁和Q₂的發(fā)射區(qū)面積比有關(guān)，而與輸入電壓無關(guān)，所以，在實際的工藝制作中將會有很高的精度。第一項V_BE1具有負的溫度系數(shù)，在室溫時大約為-2mV/℃；第二項V_T具有正的溫度系數(shù)，在室溫時大約為+0.085mV/℃，通過設定合適的工作點，可以使兩項之和在某一溫度下達到零溫度系數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的基準電壓。適當選取R₁、R₃和n的值，即可得到具有零溫度系數(shù)的輸出電壓V_OUT。
　　
電路設計

以圖1所示的電路原理為基礎，設計出基準電壓源電路，如圖2所示。電路主要由三部分組成：使能信號驅(qū)動電路、偏置電路、帶隙基準電壓VREF產(chǎn)生電路。通過對每一部分結(jié)構(gòu)、工作原理的介紹，可知圖2所示電路既能解決驅(qū)動不夠的問題，又能靈活調(diào)節(jié)它的溫度系數(shù)，可達到高電源抑制比和低溫度系數(shù)的性能。

使能信號驅(qū)動電路

此電路由圖2所示的三級反向器構(gòu)成。PD為電路的使能信號，輸出A₁₀、A₉用來做BIAS和V_REF的使能控制。

使能信號的加入，可以降低功耗。當外部的數(shù)字信號還沒有送入轉(zhuǎn)換電路時，PD使能信號使基準電壓電路處于待機狀態(tài)，從而降低了功耗：當外部的數(shù)字信號送入轉(zhuǎn)換電路時，PD使能信號使基準電壓電路工作。

為了達到較大的驅(qū)動能力，可以使PD信號通過由M_k1,M_K2,M_K3,M_h1,M_h2,M_h3組成的反向器，如圖2所示，反向器的管子寬長比逐級增大，驅(qū)動能力逐級提高，輸出A₁₀、A₉可以有效地驅(qū)動BIAS和V_REF的使能管，解決了因版圖中走線過長或后端電路管子存在寄生電容而導致的驅(qū)動不夠的問題。

偏置電路

偏置電路用來給基準電壓電路的運放提供偏置，如圖3所示。

圖3 偏置電路

基準電壓產(chǎn)生電路

圖4 基準電壓產(chǎn)生電路

在圖3電路中，M_K、M_H、M_F、M₄、M₅、M₇為開關(guān)管，M₃、M₆、M_S1~M_S6構(gòu)成啟動電路，M_C1~M_C6可建立起穩(wěn)定的偏置電流。

當A₁₀=0時，開關(guān)管M_K、M_F 、M₅導通，M_H、M₄、M₇關(guān)斷，偏置電路不工作，A₈=1；當A₁₀=1時，開關(guān)管M_H、M₄ 、M₇導通，M_K、M_F、M₅關(guān)斷，偏置電路正常工作。

PMOS管M_S1~M_S6是電阻管，上電后 M₆導通，A₈被拉為低電平，M_C1~M_C6導通，電源電流從M_C1流經(jīng)M_C3、M_C5到地，N₁變?yōu)楦唠娖剑?M₃管打開，N₂拉低，M₆管關(guān)斷。經(jīng)過一段時間后，M_C1~M_C6建立起穩(wěn)定的偏置電流，啟動電路停止工作。

        M_C1~M_C6和R可以產(chǎn)生一個與電源無關(guān)的電流，M_C1、M_C2兩支路的電流通過M_C5、M_C6、R來設定。本質(zhì)上講，I₁被自舉到I₂，即I₁=I₂。

        V_GS5=V_GS6+I₂R                              (4)

        (5)

從式(5)可看出，電流與電源電壓無關(guān)，而與M_C5、M_C6的寬長比和電阻的值有關(guān)，調(diào)整這些值，可以方便地得到需要的偏置電流。

基準電壓產(chǎn)生電路

圖2所示為V_REF模塊，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

該電路通過R_D0、C₁濾掉了電源線上的高頻噪聲，使得基準電壓V_REF更加穩(wěn)定。

圖4與圖1比較，可知圖4主結(jié)構(gòu)中增加了一個電阻R₀，如何調(diào)節(jié)電阻使V_REF對溫度的依賴減小，可以通過式(6)~(11)說明：

I₁R₁=I₂R₂ (6)

V_BE1=V_BE2+I₂R₃ &nbs

p; (7)

I="I"₁+I₂ (8)

V_OUT=V_BE1+I₁R₁+IR₀ (9)

把式(6)~(8)帶入(9)，得到：

        V_OUT=V_BE1+AV_T                      (10)

       (11)

在式(10)中，第一項_VBE1具有負的溫度系數(shù)，第二項VT具有正的溫度系數(shù)，適當選取R₀、R₁、R₂、R₃的值，改變A的大小，便可以使兩項之和在室溫下達到零溫度系數(shù)。比較(3)式，因為可調(diào)變量增加，調(diào)節(jié)的范圍變大，則在室溫下V_OUT對溫度的依賴為0。

運算放大器的設計

在基準電壓產(chǎn)生電路中，要求運算放大器的增益越大越好，同時保證其相位裕度在60o以上，電路如圖5所示。

運算放大器電路

圖5 運算放大器電路

圖6 V_REF隨溫度變化的特性曲線