基于汽車環(huán)境的帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)

1 引言
    帶隙基準(zhǔn)電壓源廣泛應(yīng)用于A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、集成穩(wěn)壓器以及傳感器接口電路。隨著電路系統(tǒng)的大規(guī)模化和SOC的發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)對帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度、電壓、工藝穩(wěn)定性、電路板面積要求較高。尤其是汽車電子行業(yè)對芯片的集成度，電源穩(wěn)定性和安全性都提出較高要求。
    在分析傳統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源和論證曲率補(bǔ)償技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于汽車ABS輪速傳感器接口的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路設(shè)計(jì)方案?？紤]到汽車運(yùn)行時(shí)溫差大、噪聲多、路況壞等環(huán)境因素，未采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的運(yùn)算放大器，而使用一階曲率補(bǔ)償技術(shù)，這樣在很大程度上提高了電壓源的穩(wěn)定性和抗干擾能力，使用成熟的Bipolar工藝可有效降低器件的損壞率。該設(shè)計(jì)還引入啟動電路，解決了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源附加功耗較大等問題。運(yùn)用了Cadence Spectre工具對電路仿真，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全達(dá)到汽車電子要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2 帶隙基準(zhǔn)原理
    帶隙基準(zhǔn)輸出穩(wěn)定的直流電壓，并且該直流電壓對溫度和電源電壓不敏感。集成電路通常采用溫度系數(shù)相反且與電源電壓無關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓通過相互補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)元件間匹配和溫度跟蹤。
    圖l給出典型二管帶隙基準(zhǔn)源電路，該電路利用VN1、VN2管的有效發(fā)射結(jié)面積比和電阻R1、R2的阻值比來獲取接近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源。

    電路中，兩個(gè)相同的晶體管VP1和VP2構(gòu)成的PNP恒流源可作為VN1、VN2晶體管的集電極有源負(fù)載，晶體管VN2提供基極一發(fā)射極電壓(UBE)，電阻R1上產(chǎn)生電壓△UBE。由于IE1=IE2，則： 式中：△UBE=Ut1n[(IEl／AE1)/(IE2/AE2)]=Utln(J1/J2)；J為電流密度，J=I／A；AEl和AE2為發(fā)射結(jié)有效面積。
    由于IE1=IE2，J與溫度無關(guān)，所以：

   
    理論上，只要合理設(shè)置R1、R2、AEl、AE2，其輸出則可達(dá)到理想溫度系數(shù)。由于受VPl、VP2集電極電壓的不穩(wěn)定等因素影響，實(shí)際輸出與理論值存在偏差，因此，運(yùn)算放大器被引入基準(zhǔn)電源。

3 傳統(tǒng)帶運(yùn)算放大器的帶隙基準(zhǔn)電路
    圖2為帶運(yùn)算放大器的帶隙基準(zhǔn)電路，引入運(yùn)算放大器可解決電壓不穩(wěn)定問題。由于該電路連接具有負(fù)反饋，所以，VQ1、VQ2箝位于同一電位，電源抑制比提高，功耗降低。但其傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路卻具有運(yùn)算放大器固有失調(diào)等問題，放大運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓，導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生誤差，嚴(yán)重影響帶隙基準(zhǔn)電壓源精度；同時(shí)，其輸入失調(diào)電壓隨溫度變化，這樣可使輸出電壓的溫度系數(shù)增大。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)不采用運(yùn)算放大器也同樣達(dá)到性能更佳。

   
4 基于汽車環(huán)境的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)
4．1 采用一階曲率補(bǔ)償技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)
    圖3是一種應(yīng)用于汽車ABS輪速傳感器接口的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路，該電路設(shè)計(jì)采用雙極性工藝和一階曲率補(bǔ)償技術(shù)，考慮到汽車行駛環(huán)境溫度變化大，車身空間有限以及安全性能等問題，要求電路具有寬泛的溫度范圍，電路面積小，電源抑制比高以及工作性能穩(wěn)定等性能。

    A1、A2、A3分別是NPN晶體管VN1，VN2，VN3的發(fā)射極面積，且AA：A2：A3=1：P：Q(P與Q為常量)，由式(1)可知：

   

   
式中：k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.380x10-23J/K；T為溫度；q為電子電量；q=1.602x10-19C。

    式(7)的前兩項(xiàng)為與絕對溫度(PTAT)成正比的電流，設(shè)IPTAT，傳統(tǒng)基準(zhǔn)只用該電流補(bǔ)償U(kuò)BE，而改進(jìn)后的電路的VN3、R3可生成非線性部分電流INL，即式(7)的最后一項(xiàng)，可有效補(bǔ)償U(kuò)BE的非線性部分，以達(dá)到較好的溫度特性，所以：

式中，n為常數(shù)，與晶體管的制作工藝有關(guān)，n=1．5～2．2。
    電路上電后，VN9和VN8構(gòu)成的BE結(jié)二極管可使NN10的基極箝位于1．4V。VNl0導(dǎo)通，電流由VCC通過VN10灌入VN1、VN2和VN3的基極，這三個(gè)晶體管導(dǎo)通，從而降低啟動管功耗?；鶞?zhǔn)電源電壓工作后，提高VN10的發(fā)射極電平，VN10關(guān)斷。
4．2 布局設(shè)計(jì)
    由于汽車環(huán)境的特殊性，要求電路板布局嚴(yán)格，整體電路采用上海貝嶺2μm 40 V Bipolar工藝。雙極性工藝要比MOS工藝穩(wěn)定得多，通常被擊穿和損壞率較低，抗輻射和干擾能力較強(qiáng)。在布局時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)注意噪聲干擾和調(diào)試準(zhǔn)確性，帶隙基準(zhǔn)電壓源應(yīng)緊鄰電源和地線，并且地線應(yīng)與其他模塊地線分開單獨(dú)設(shè)置，這樣可避免兩條地線產(chǎn)生的紋波疊加。3個(gè)小尺寸測試壓焊塊的兩側(cè)連接多個(gè)電阻，可通過燒斷其間的金屬絲來測試實(shí)際器件的輸出值，這就為器件的準(zhǔn)確調(diào)試提供了方便。

5 仿真結(jié)果
    使用Cadence spectre分別仿真電路的溫度掃描和電源變化分析，由于參數(shù)計(jì)算結(jié)果與仿真模型存在誤差，仿真時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)，保證正常輸出基準(zhǔn)電壓。如圖4所示，當(dāng)溫度從一50℃~150℃變化時(shí)，UREF從1．260 3 V變化至1．265 2 V，最大變化量為4．9 mV，溫度系數(shù)為24 ppm/℃，而普通的一階補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)大于30 ppm/℃，因此，該改進(jìn)后的電路性能有較大的改善。
    27℃時(shí)，當(dāng)電源電壓(U)在5~16 V變化，UREF變化范圍為1．264 60～1．264 97 V，變量為0．37 mV，UREF的電源抑制特性曲線如圖5所示。

6 結(jié)語
    在分析傳統(tǒng)帶運(yùn)算放大器的帶隙基準(zhǔn)電壓源的基礎(chǔ)上，應(yīng)用曲率補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)一種適用于車載電子的帶隙基準(zhǔn)電壓源，該電路采用雙極性工藝，結(jié)構(gòu)簡單新穎，集成度高且可移植性強(qiáng)。通過Cadence Spectre仿真結(jié)果顯示，該電路可在寬泛
的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出，隨溫度變化其變化率只有24 ppm/℃，電源抑制性好．抗干擾能力強(qiáng)，完全符合汽車電子標(biāo)準(zhǔn)。