荒島設(shè)計(jì)：不用軟件也能搭接帶隙電路

有人可以不用鍵盤和軟件|0">軟件工具開展設(shè)計(jì)嗎？以前確實(shí)有這種情況，那時(shí)設(shè)計(jì)只需紙、筆、數(shù)學(xué)理論和計(jì)算尺。現(xiàn)在設(shè)計(jì)師使用Spice、Matlab、Mathcad、Simulink、Altium、Excel等數(shù)不清的輔助工具。如今設(shè)計(jì)師遇到新的技術(shù)問題時(shí)的下意識反映是需要新的工程軟件。

難道沒有這些軟件工具就無法解決問題了嗎？只用人類的腦灰質(zhì)和突出神經(jīng)元能夠走多遠(yuǎn)呢？讓我們看看下面的例子。

假設(shè)條件

設(shè)想你正在一條小型游船上作一次3小時(shí)的短暫航行，充分享受著咸濕的空氣和海風(fēng)。突然天氣發(fā)生巨變，最后你發(fā)現(xiàn)自己只能停泊在一座無名小島上。和你一起的船友眼巴巴地指望著你來拯救他們，因此你需要修復(fù)一個(gè)電壓基準(zhǔn)被破壞了的無線電臺。這時(shí)你有一堆一直帶在身邊的電子零件，包括一個(gè)五晶體管的陣列、一個(gè)運(yùn)放、一袋電阻和一個(gè)原型電路板|0">電路板(原型板)。為了避免爭論，假設(shè)你的備用器件都是帶引線的通孔器件，操作起來很方便，那么，無線電臺能修復(fù)得了嗎？

雖然有點(diǎn)牽強(qiáng)，但很重要，這就是“阿波羅13號”問題：只用身邊能找到的東西進(jìn)行修復(fù)、創(chuàng)建，并使之進(jìn)入工作狀態(tài)。IC和PCB設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)他們每天都處于這種尷尬境地。對那些只有少量生產(chǎn)問題的芯片和電路板作巨大的改動(dòng)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)錢。

如果IC設(shè)計(jì)師能“用金屬修復(fù)”，或PCB設(shè)計(jì)師能用“使用中的二極管”來解決上述問題，他就是一位英雄，并且確實(shí)如此。因此我們此次的練習(xí)具有很大的實(shí)用性。現(xiàn)在，我們該如何依據(jù)一些部件和我們頭腦中的少量概念來建立電壓基準(zhǔn)呢？

設(shè)計(jì)思考

我們需要些東西提供已知的電壓。首先想到的是Vbe。中等電流|0">電流密度下的Vbe約0.65V，但它隨溫度而變化，在室溫環(huán)境中每升高1℃電壓會(huì)下降2mV。因此我們需要相對于溫度變化不大的參數(shù)(更低的溫度系數(shù))。必須好好想一想。

還記得“deltaVbe”(ΔVbe)嗎？雙極結(jié)點(diǎn)有一個(gè)奇怪的特性：電壓隨溫度升高而下降，但具有不同電流的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的電壓(ΔVbe)卻會(huì)上升。事實(shí)上，這個(gè)差異直接正比于絕對溫度。

在室溫(300K)時(shí)，溫度變化1度，ΔVbe變化1/300。這表明ΔVbe相對較小，因此必須對它們進(jìn)行放大。如果將ΔVbe提高到600mV，那么上述1/300變化將轉(zhuǎn)換為2mV/℃!(Vbe的溫度效應(yīng)是幅度相等，方向相反)。

兩者相加，可以得到650mV+600mV(室溫下)，即1.25V。由于兩個(gè)變化都與溫度變化方向相反，因此總和維持不變。這樣，1.25V剛好可以成為帶隙基準(zhǔn)的‘魔術(shù)電壓’。

設(shè)計(jì)理論

為了理解它為什么叫帶隙電壓，想象一下溫度下降到絕對零度的情況，這時(shí)ΔVbe也會(huì)下降到零(圖1)。為了使輸出保持不變，Vbe必須上升1.25V。

這又真正意味著什么呢？Vbe對溫度的依賴性來自硅半導(dǎo)體的自然特性。為了實(shí)現(xiàn)電流流動(dòng)，必須增加電壓，直到電子從晶格中逃逸出來。當(dāng)硅片溫度非常低時(shí)，電子能量很小，它們緊挨著原子。

如果緩慢地提高(結(jié)點(diǎn)兩端的)電壓，電流會(huì)在一個(gè)非常特殊的電壓點(diǎn)突然跳升。這個(gè)電壓給了電子足夠的能量，可以讓它在晶體內(nèi)自由移動(dòng)，這就是帶隙電壓。隨著硅片越來越熱，曲線趨于平緩，電壓也越來越低。圖1還給出了電流隨溫度變化的曲線，并描述了ΔVbe如何隨溫度增加而增加的情況。虛線是工作在1倍電流的結(jié)點(diǎn)V-I曲線，實(shí)線是工作在4倍電流的結(jié)點(diǎn)V-I曲線。

當(dāng)將ΔVbe的右邊部分增加到Vbe時(shí)，我們就獲得了獨(dú)立于溫度的帶隙電壓。這種方法的重要性如何呢？幾乎每種芯片內(nèi)部都有一個(gè)帶隙基準(zhǔn)，可為變化范圍很寬的電壓建立偏置電壓和電流。