鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1098次 | 2019年11月08日
基于UCC3895與PIC單片機(jī)的智能充電器
l與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)
與溫度無關(guān)的電壓或電流基準(zhǔn)在許多模擬電路中是必不可少的。如何產(chǎn)生一個對溫度變化保持恒定的量?假設(shè)有正溫度系數(shù)的電壓V1和負(fù)溫度系數(shù)的電壓V2，這兩個量以適當(dāng)?shù)臋?quán)重相加，那么結(jié)果就會顯示出零溫度系數(shù)。選取a和b使得aV1/T+bv2/T=0，可以得到具有零溫度系數(shù)的電壓基準(zhǔn)，VREF=aV1+bV2。
上述假設(shè)提供了一個可行的方法實(shí)現(xiàn)與溫度無關(guān)的電壓基準(zhǔn)，就是分別找到正溫度系數(shù)的電壓和負(fù)溫度系數(shù)的電壓。
1.1負(fù)溫度系數(shù)電壓
雙極晶體管的基極一發(fā)射極電壓VBE或者pn結(jié)二極管的正向電壓，具有負(fù)溫度系數(shù)。根據(jù)已推導(dǎo)的VBE溫度系數(shù)表達(dá)式[1]:
式(1)給出了在給定溫度T下VBE的溫度系數(shù)，大小與VBE本身有關(guān)。其中VT為熱電壓，Eg為Si的帶隙能量，m為遷移率的溫度指數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)VBE△750mV，T=300K時，VBE/T△-1.5mV/℃。當(dāng)然這些參數(shù)必須以實(shí)際所用的工藝庫為標(biāo)準(zhǔn)。1.2正溫度系數(shù)電壓
如果兩個雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，那么他們的基極一發(fā)射極電壓的差值就與絕對溫度成正比[1]。
假設(shè)兩個相同的晶體管(Is1=Is2)，基極和集電極分別短接，發(fā)射極接地，偏置的集電極電流分別為Ic1=nI0和Ic2=I0，其中n是晶體管Q2和Q1，的發(fā)射極面積比，忽略他們的基極電流，那么：
△VBE表現(xiàn)出正溫度系數(shù)：
1.3帶隙基準(zhǔn)
利用上述的負(fù)溫度系數(shù)電壓和正溫度系數(shù)電壓，可以設(shè)計出一個理想的零溫度系數(shù)基準(zhǔn)。2常規(guī)電路
圖1所示為常規(guī)帶隙基準(zhǔn)電壓電路。
3改進(jìn)電路
由于常規(guī)電路的溫度系數(shù)還不夠理想，而且VREF不可調(diào)節(jié)，因此改進(jìn)常規(guī)電路。圖2是文獻(xiàn)[2]提到的改進(jìn)電路。
4曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓電路
在實(shí)際情況下，VBF并不是像我們前面分析電路工作時所認(rèn)為的是與溫度成線性變化的關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn)[3]提到的經(jīng)驗(yàn)公式：
其中η是取決于雙極性結(jié)構(gòu)的參數(shù)，約為4，而a，當(dāng)雙極型晶體管電流與絕對溫度成比例變化時，a為1，當(dāng)電流與溫度無關(guān)時，a為0。
前面兩種電路分析過程都沒有考慮VBE的非線性項(xiàng)引入的誤差，為了得到更好的溫度系數(shù)，必須對非線性項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償。基本的補(bǔ)償方法是校正非線性項(xiàng)，減去含有恒定電流的結(jié)產(chǎn)生的VBE和含有與絕對溫度成比例變化電流的結(jié)產(chǎn)生的VBE。從圖2我們看到IQ1與絕對溫度成比例變化，IM2與溫度無關(guān)。因此，如果將IM2鏡像并注入到一個與雙極型晶體管相連接的二極管，可以產(chǎn)生帶恒定電流的VBE[2]。完整曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路如圖3所示。R6和R7分別從M1和M2獲得額外的電流，該電流與上述兩種不同電流成比例。適當(dāng)調(diào)整R6和R7的阻值可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的曲率補(bǔ)償。
圖3電路僅用兩個電阻的補(bǔ)償方法，比文獻(xiàn)[4]采用的方法要有效得多，而且比文獻(xiàn)[5，6]采用的方法要簡單得多，因?yàn)槲墨I(xiàn)[5]采用運(yùn)放，而文獻(xiàn)[6]采用開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。
通過標(biāo)識3種帶隙基準(zhǔn)電壓電路各個支路的電流，計算3種電路在2.5V下的功耗，分別為0.72lmW，O.799mW和0.859mW。
5運(yùn)放設(shè)計
運(yùn)放里面包含一個25μA的參考電流源，在文獻(xiàn)[1]所提到的結(jié)構(gòu)，由于電阻的溫度系數(shù)比較大，在-25～125℃的溫度掃描中，在大于某一溫度以后運(yùn)放會不再工作，原因是電阻上電壓的變化，使得該參考電流源中的MOS管不再工作在飽和區(qū)，為了解決這個問題，用一個pMOS管M44代替原來的電阻，使得各個管子在-25～125℃的溫度范圍里都工作在飽和區(qū)。該參考電流源具有自啟動和自關(guān)閉的功能，體現(xiàn)在NMOS管M50上，對其進(jìn)行0～3V供電電壓進(jìn)行變量掃描，從流過M50的電流可以看到M50在供電電壓上升到O.25V的時候會自動開啟，有12.81pA的微小電流流過，在2.17V會自動關(guān)閉。當(dāng)電路開始工作，電壓瞬間從0變化到2.5V，M50會有一個開啟和關(guān)斷的過程，從后面所用1.2V工作電壓來看，發(fā)現(xiàn)M50在這個電壓下一直處于開啟狀態(tài)，但是仔細(xì)計算功耗，會發(fā)現(xiàn)即使M50一直處于開啟狀態(tài)，他對整個電路的影響也是微乎其乎，因?yàn)樵黾覯50的前提是保證電流源能夠開啟。
通過對3種帶隙基準(zhǔn)電路進(jìn)行仿真，標(biāo)識電路所有節(jié)點(diǎn)的電壓，可以看到運(yùn)放正常工作，而且在-25～125℃溫度掃描中，兩個輸入端Vin+和Vin-的節(jié)點(diǎn)電壓相等，實(shí)現(xiàn)運(yùn)放理想狀態(tài)的虛短。
6工作在1.2V的帶隙基準(zhǔn)電壓電路
在仿真和分析運(yùn)放時，運(yùn)放中的參考電流源在0.25V電壓下就會開啟，通過對圖3電路工作電壓從O～3V進(jìn)行掃描，我們發(fā)現(xiàn)工作電壓大于1V以后圖6電路就可以正常工作，為保證電路穩(wěn)定工作，工作電壓可以取1.2V。
7結(jié)語
