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基于汽车环境的带隙基准电压源的设计

时间：2009-09-15 09:27:55

关键字：汽车带隙基准电压源 BSP 运算放大器

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[导读]比较了传统带运算放大器的带隙基准电压源电路与采用曲率补偿技术的改进电路，设计了一种适合汽车电子使用的带隙基准电压源，该设计电路基于上海贝岭2μm 40 V bipolar工艺，采用一阶曲率补偿技术，充分考虑了汽车空间有限、温差大、噪声多的环境特点。没有使用运放，避免其复杂的结构以及所引起的失调，因此降低了电路成本并改善性能，设计中还引入了启动电路，大大降低了附加功耗。用Cadence Spectre对电路仿真，结果表明，电路温度特性好，抗干扰能力强，有较高的电源抑制比(PSRR)，达到预期指标。

1 引言
带隙基准电压源广泛应用于A／D转换器、D／A转换器、集成稳压器以及传感器接口电路。随着电路系统的大规模化和SOC的发展，系统设计对带隙基准电压源的温度、电压、工艺稳定性、电路板面积要求较高。尤其是汽车电子行业对芯片的集成度，电源稳定性和安全性都提出较高要求。
在分析传统基准电压源和论证曲率补偿技术的基础上，提出了一种适用于汽车ABS轮速传感器接口的带隙基准电压源电路设计方案。考虑到汽车运行时温差大、噪声多、路况坏等环境因素，未采用结构复杂的运算放大器，而使用一阶曲率补偿技术，这样在很大程度上提高了电压源的稳定性和抗干扰能力，使用成熟的Bipolar工艺可有效降低器件的损坏率。该设计还引入启动电路，解决了传统带隙基准电压源附加功耗较大等问题。运用了Cadence Spectre工具对电路仿真，结果表明，该设计完全达到汽车电子要求，具有较高的实用价值。

2 带隙基准原理
带隙基准输出稳定的直流电压，并且该直流电压对温度和电源电压不敏感。集成电路通常采用温度系数相反且与电源电压无关的标准电压，这两个标准电压通过相互补偿实现元件间匹配和温度跟踪。
图l给出典型二管带隙基准源电路，该电路利用VN1、VN2管的有效发射结面积比和电阻R1、R2的阻值比来获取接近零温度系数的基准源。

电路中，两个相同的晶体管VP1和VP2构成的PNP恒流源可作为VN1、VN2晶体管的集电极有源负载，晶体管VN2提供基极一发射极电压(UBE)，电阻R1上产生电压△UBE。由于IE1=IE2，则：式中：△UBE=Ut1n[(IEl／AE1)/(IE2/AE2)]=Utln(J1/J2)；J为电流密度，J=I／A；AEl和AE2为发射结有效面积。
由于IE1=IE2，J与温度无关，所以：

理论上，只要合理设置R1、R2、AEl、AE2，其输出则可达到理想温度系数。由于受VPl、VP2集电极电压的不稳定等因素影响，实际输出与理论值存在偏差，因此，运算放大器被引入基准电源。

3 传统带运算放大器的带隙基准电路
图2为带运算放大器的带隙基准电路，引入运算放大器可解决电压不稳定问题。由于该电路连接具有负反馈，所以，VQ1、VQ2箝位于同一电位，电源抑制比提高，功耗降低。但其传统的带隙基准电路却具有运算放大器固有失调等问题，放大运算放大器的输入失调电压，导致输出电压产生误差，严重影响带隙基准电压源精度；同时，其输入失调电压随温度变化，这样可使输出电压的温度系数增大。因此，系统设计不采用运算放大器也同样达到性能更佳。

4 基于汽车环境的带隙基准电压源设计
4．1 采用一阶曲率补偿技术的带隙基准电压源设计
图3是一种应用于汽车ABS轮速传感器接口的带隙基准电压源电路，该电路设计采用双极性工艺和一阶曲率补偿技术，考虑到汽车行驶环境温度变化大，车身空间有限以及安全性能等问题，要求电路具有宽泛的温度范围，电路面积小，电源抑制比高以及工作性能稳定等性能。

A1、A2、A3分别是NPN晶体管VN1，VN2，VN3的发射极面积，且AA：A2：A3=1：P：Q(P与Q为常量)，由式(1)可知：

式中：k为玻耳兹曼常数，k=1.380x10-23J/K；T为温度；q为电子电量；q=1.602x10-19C。

式(7)的前两项为与绝对温度(PTAT)成正比的电流，设IPTAT，传统基准只用该电流补偿UBE，而改进后的电路的VN3、R3可生成非线性部分电流INL，即式(7)的最后一项，可有效补偿UBE的非线性部分，以达到较好的温度特性，所以：

式中，n为常数，与晶体管的制作工艺有关，n=1．5～2．2。
电路上电后，VN9和VN8构成的BE结二极管可使NN10的基极箝位于1．4V。VNl0导通，电流由VCC通过VN10灌入VN1、VN2和VN3的基极，这三个晶体管导通，从而降低启动管功耗。基准电源电压工作后，提高VN10的发射极电平，VN10关断。
4．2 布局设计
由于汽车环境的特殊性，要求电路板布局严格，整体电路采用上海贝岭2μm 40 V Bipolar工艺。双极性工艺要比MOS工艺稳定得多，通常被击穿和损坏率较低，抗辐射和干扰能力较强。在布局时，应重点注意噪声干扰和调试准确性，带隙基准电压源应紧邻电源和地线，并且地线应与其他模块地线分开单独设置，这样可避免两条地线产生的纹波叠加。3个小尺寸测试压焊块的两侧连接多个电阻，可通过烧断其间的金属丝来测试实际器件的输出值，这就为器件的准确调试提供了方便。

5 仿真结果
使用Cadence spectre分别仿真电路的温度扫描和电源变化分析，由于参数计算结果与仿真模型存在误差，仿真时应适当调节，保证正常输出基准电压。如图4所示，当温度从一50℃~150℃变化时，UREF从1．260 3 V变化至1．265 2 V，最大变化量为4．9 mV，温度系数为24 ppm/℃，而普通的一阶补偿的带隙基准电压源的温度系数大于30 ppm/℃，因此，该改进后的电路性能有较大的改善。
27℃时，当电源电压(U)在5~16 V变化，UREF变化范围为1．264 60～1．264 97 V，变量为0．37 mV，UREF的电源抑制特性曲线如图5所示。

6 结语
在分析传统带运算放大器的带隙基准电压源的基础上，应用曲率补偿技术设计一种适用于车载电子的带隙基准电压源，该电路采用双极性工艺，结构简单新颖，集成度高且可移植性强。通过Cadence Spectre仿真结果显示，该电路可在宽泛
的温度范围内稳定输出，随温度变化其变化率只有24 ppm/℃，电源抑制性好．抗干扰能力强，完全符合汽车电子标准。