基于PWM的低溫度依賴基準電壓電路設計

吳鐵峰，張鶴鳴，胡輝勇，李敏

(1. 西安電子科技大學 微電子學院寬禁帶半導體材料與器件重點實驗室，陜西 西安，710071；2. 佳木斯大學 信息電子技術(shù)學院，黑龍江 佳木斯，154007)

基于PWM的低溫度依賴基準電壓電路設計

吳鐵峰1,2，張鶴鳴1，胡輝勇1，李敏1

(1. 西安電子科技大學 微電子學院寬禁帶半導體材料與器件重點實驗室，陜西 西安，710071；2. 佳木斯大學 信息電子技術(shù)學院，黑龍江 佳木斯，154007)

為了給脈寬調(diào)制(PWM)控制器提供穩(wěn)定的工作電壓，基于齊納二極管的正溫度系數(shù)和三極管B-E結(jié)的負溫度系數(shù)之間的溫度補償原理，設計1個結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越的高精度基準電壓電路，并應用華越SB45雙極工藝在 Candence中進行仿真。研究結(jié)果表明：該電路能夠提供多路穩(wěn)定的基準工作電壓，而且具有較高的電源電壓抑制比，對溫度依賴程度很??；在?55～125 ℃范圍內(nèi)，該電路的溫度系數(shù)為1.2×10?6/℃；當電源電壓為8～30 V時，線性調(diào)整率約為0.4 mV/V，電源電壓抑制比為77.54 dB，能夠滿足PWM控制器的工作需求。

電壓基準；脈寬調(diào)制控制器；溫度系數(shù)；溫度補償；雙極工藝；模擬電路

在模擬集成電路和數(shù)?；旌想娐分?，電壓基準都起到了非常重要的作用。大量的集成電路如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、線性調(diào)整器、開關(guān)調(diào)整器等都需要電壓基準電路來提供可靠、穩(wěn)定的電壓[1?2]。用來形成基準電壓的方式有幾種，一般包括帶隙電壓基準和利用前向VBE特性、齊納二極管的反向擊穿特性等構(gòu)成電壓基準[3?4]。自Robert于1971年提出了帶隙基準后[5]，由于它具有低溫度依賴和高電源電壓抑制比等優(yōu)良特性，這種基準就被廣泛地使用。然而，由于實際應用中帶隙基準需要以放大器為基礎(chǔ)來構(gòu)成，因此，結(jié)構(gòu)相對復雜，并且有失調(diào)電壓存在[5?7]。針對這些問題，本文作者提出了一種利用齊納二極管的正溫度系數(shù)和三極管 B-E結(jié)的基準電路。該電路由負溫度系數(shù)特性構(gòu)成，具有低噪聲和低溫漂的特性[8?11]。用于 PWM 控制器的電源電壓時具有抑制比高、結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、精度高等特點。通過Candence中Spectre仿真并測試，在?55～125 ℃內(nèi)，電路溫度系數(shù)約為 1.2×10?6/℃；當電源電壓從8 V 到 30 V變化時，電路的線性調(diào)整率為0.4 mV/V；電源電壓抑制比為77.54 dB。該基準電路的設計可以滿足PWM控制器的實際工作要求，并已經(jīng)應用于芯片中。

1 電壓基準設計

1.1 電壓基準設計原理

電壓基準設計原理如圖1所示。

圖1 基準產(chǎn)生原理Fig.1 Reference principle

與溫度關(guān)系很小的電壓或電流基準被證實在許多模擬電路中是必不可少的。因為大多數(shù)工藝參數(shù)是隨著溫度變化的，所以，若1個基準與溫度無關(guān)，則它通常也與工藝無關(guān)。若將2個具有相反溫度系數(shù)的量以適當?shù)臋?quán)重相加，則結(jié)果就會顯示出零溫度系數(shù)。例如，對于隨溫度變化向相反方向變化的電壓U1和U2，選取系數(shù)1和2使得這樣就得到了具有零溫度系數(shù)的電壓基準UREF，

在半導體工藝的各種不同器件參數(shù)中，雙極晶體管特性參數(shù)的計算非常復雜，并且具有能提供正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)、嚴格定義的量。盡管 MOS器件的許多參數(shù)通過基準產(chǎn)生[12?13]，但是雙極電路仍是這類電路的核心。

雙極晶體管的基極?發(fā)射極電壓即 PN結(jié)二極管的正向電壓具有負溫度系數(shù)。首先，根據(jù)容易得到的量推出溫度系數(shù)的表達式。對于1個雙極器件的某電極電流其中：溫度的電壓當量 UT=kT/q；k為波耳茲曼常數(shù)；T為熱力學溫度；q為電子電荷；飽和電流IS正比于 μkTn；μ為少數(shù)載流子的遷移率；ni為硅的本征載流子濃度。這些參數(shù)與溫度的關(guān)系可以表示為所以，

式中：Eg=1.12 eV，為硅的帯隙能量；且b為比例系數(shù)。由可計算基極?發(fā)射極電壓的溫度系數(shù)。在UBE對T取導數(shù)時，IC也是溫度的函數(shù)。為了簡化分析，假設IC保持不變，則

式(6)給出了在給定溫度T下基極?發(fā)射極電壓的溫度系數(shù)。由式(6)可見：溫度系數(shù)與UBE有關(guān)；當UBE=750 mV，T=300 K時，

圖1所示為基準電壓電路的設計原理。三極管B-E結(jié)在室溫下存在負的溫度系數(shù)，其dUBE/dT大約為?1.5 mV/℃，而齊納二極管則相應地有正的溫度系數(shù)，其dUDZ/dT一般為2 mV/℃。而通常當齊納二極管的壓降UDZ在6～9 V時[14?15]，會產(chǎn)生恒定的工作電壓。這樣，利用UBE的負溫度系數(shù)和UDZ的正溫度系數(shù)之間的溫度補償原理，可以構(gòu)成理論上溫度無關(guān)的基準電壓電路。

因為UDZ和UBE會隨著溫度的改變產(chǎn)生相反的變化，因此，通過選擇合適的m和n，可以使下式成立：

于是，與溫度無關(guān)的電壓基準可以表示為：

式中：m和n均為調(diào)整系數(shù)。

1.2 基準電壓電路設計

基準電壓電路如圖2所示(其中：R為電阻；T指三極管)?？梢姡夯鶞孰妷弘娐分饕蓡与娐?、基準產(chǎn)生電路、保護電路和電阻網(wǎng)絡組成；其中，虛線左側(cè)為啟動電路和電阻網(wǎng)絡，虛線右側(cè)為基準產(chǎn)生電路和保護電路。對于帶隙基準電壓電路，一般都有運算放大器，因此，由它所得的輸出電壓會失調(diào)電壓影響而失真，而且電源電壓抑制比也受運算放大器影響而下降，從而帶隙電壓基準的性能也被嚴格限制。為了消除這些影響，用共射電路來取代帶隙電壓基準中的運算放大器，通過優(yōu)化設計，可以得到1個高電源電壓抑制比、低溫度依賴的新型電壓基準電路。

圖2 基準電壓電路Fig.2 Voltage reference circuit

對與圖2中虛線左側(cè)的啟動電路，當電源接通時開始工作，有電流經(jīng)R2，T1和T5流入電阻網(wǎng)絡R。在這種情況下，T3，T4和T5依次導通，T6的基極電壓降低，T7～T9也相繼導通，這時，齊納二極管DZ1和DZ2會產(chǎn)生相等的穩(wěn)定電壓，三極管T9的發(fā)射極電壓為三極管 T3，T4和 T5的總壓降為不滿足導通條件。所以，這幾個三極管隨T9的導通而迅速關(guān)斷，啟動過程結(jié)束。

電路完成啟動后，通過電阻網(wǎng)絡R，R7，T16和T18等的分壓，在A點產(chǎn)生1個穩(wěn)定的點位，這里電阻網(wǎng)絡R用來調(diào)整基準電壓的溫度系數(shù)。從電路圖可知三極管T14和T15的集電極電流IC14和IC15分別為：

其中：三極管T14和T15的飽和電流IS14和IS15取決于三極管T14和T15的發(fā)射極面積，這里，令它們的面積相等，即ST14=ST15，調(diào)節(jié)R3和三極管T2的發(fā)射極面積，可以使IC14=IC15，于是，有：UB14=UB15。UB14和UB15分別為三極管T14和T15的基極電壓，A點電壓等于E點電壓，即UA=UE，這樣，可以獲得穩(wěn)定的基準電壓UREF。

通過以上分析可知：F點的電壓為UF，流經(jīng)電阻R6和R7的電流為I。因為UF=UDZ，UA可以通過下式得出：

式(16)表明：當調(diào)整電阻網(wǎng)絡滿足這個條件時，基準電壓UREF不再依賴于溫度的變化。

圖2中：在虛線右側(cè)存在由三極管T11和T12構(gòu)成的達林頓管，可以提供輸出電流。過流保護電路由三極管T13和電阻R12組成，當電流流經(jīng)電阻R12，若電流過大，則三極管T13的B-E結(jié)電壓將升高，從而導通。這種方式可以對三極管 T11的基極電流進行分流，因此，當輸出電流過大時，整個電路可以被有效地保護。

2 電壓基準的仿真和測試結(jié)果

對于用于PWM控制器的電壓基準電路，在晶體管級使用華越 SB45雙極工藝，在 Candence中利用Spectre仿真工具進行仿真，仿真結(jié)果如圖3～5所示。由圖3中A點和B點的相應數(shù)據(jù)，電路的溫度系數(shù)可由下式計算得到：

當輸入電壓為8～30 V時，基準電壓從4.984 94 V增加到4.993 76 V。

圖3 基準電壓隨溫度變化曲線Fig.3 Variation of UREF with temperature

圖4所示為基準電壓UREF隨輸入電壓變化時的曲線。根據(jù)圖中仿真結(jié)果的標注值可以得到以下線性調(diào)整率：

當負載電流在0～20 mA范圍變化時，基準電壓為3.482 75 mV。圖5所示為基準電壓隨負載電流變化的波形。從圖5可見，其負載調(diào)整率為：

圖4 線性調(diào)整率曲線Fig.4 Curve of line regulation

圖5 負載調(diào)整率波形圖Fig.5 Curve of load regulation

根據(jù)以上理論與實驗設計的電壓基準部分版圖見圖6。

圖6 電壓基準版圖Fig.6 Layout of voltage reference

仿真和測試結(jié)果比較如表1所示。從表1可知：所設計的基準電壓電路完全可以滿足PWM控制器的實際工作要求。

表1 仿真結(jié)果與測試結(jié)果比較Table 1 Comparative results of simulation and measurement

3 結(jié)論

(1) 提出了一個結(jié)構(gòu)簡單、精度高、對溫度的依賴程度低的基于PWM控制器的基準電壓電路設計。該電路的設計利用了齊納二極管的正溫度系數(shù)和三極管B-E結(jié)的負溫度系數(shù)之間的溫度補償原理。

(2) 從理論上推導出溫度無關(guān)的條件，使用華越SB45雙極工藝所完成的基準電路進行測試，其測試結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合，符合PWM控制器的工作需求。

[1] Crovetti P S, Fiori F. Compact, very low voltage,temperature-independent reference circuit[J]. IET, Circuits,Devices & Systems, 2007, 1(1): 63?71.

[2] LI Hao-liang. High precision circuit of band-gap voltage reference[J]. Research and Progress of Solid State Electronics,2005, 25(1): 77?80.

[3] 吳志明, 楊鵬, 呂堅, 等. 非線性補償?shù)牡蜏仄凸腃MOS帶隙基準源的設計[J]. 電子科技大學學報, 2009, 38(1):137?140.

WU Zhi-ming, YANG Peng, Lü Jian, et al. Design of low temperature drift and low power consumption CMOS bandgap reference with nonlinear compensation[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2009, 38(1):137?140.

[4] XING Xin-peng, LI Dong-mei, WANG Zhi-hua. A novel CMOS current mode bandgap reference[J]. Journal of Semiconductors,2008, 29(7): 1249?1253.

[5] van Kessel H J. A new bipolar reference current source[J].Solid-State Circuits, 1986, 21(4): 561?567.

[6] 辛曉寧, 王妉, 梁潔. 高端基準電流源的設計[J]. 沈陽工業(yè)大學學報, 2009, 31(4): 471?475.

XIN Xiao-ning, WANG Dan, LIANG Jie. Design of high-performance current reference[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2009, 31(4): 471?475.

[7] 陳富吉, 來新泉, 李玉山, 等. 一種消除失調(diào)的開關(guān)電容帶隙基準電路[J]. 電子學報, 2008, 36(11): 2251?2255.

CHEN Fu-ji, LAI Xin-quan, LI Yu-shan, et al. A switching bandgap voltage reference circuit with off set cancellation[J].Chinese Journal of Electronics, 2008, 36(11): 2251?2255.

[8] Park K S, Park Y S, Choi J W, et al. A design of temperature-compensated CMOS voltage reference sources with a small temperature coefficient[C]//7th International Conference.Guilin, 2007: 711?714.

[9] LU T C, Zan H W, Ker M D. Temperature coefficient of poly-silicon TFT and its application on voltage reference circuit with temperature compensation in LTPS process[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2008, 55(10): 2583?2589.

[10] Tetsuya H, Toshimasa M, Kenji T, et al. Ultra low-power current reference circuit with low temperature dependence[J]. IEICE Trans Electron, 2005, E88-C(6): 1142?1147.

[11] Giustolisi G, Palumbo G, Criscione M, et al. A low-voltage low-power voltage reference based on subthreshold MOSFETs[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2003, 38(1):151?154.

[12] SUN Yue-ming, ZHAO Meng-lian, WU Xiao-bo. Design of a bandgap reference with a wide supply voltage range[J]. Journal of Semiconductors, 2008, 29(8): 1529?1534.

[13] 吳笑峰, 劉紅俠, 石立春, 等. 新型高速低功耗 CMOS 動態(tài)比較器的特性分析[J]. 中南大學學報: 自然科學版, 2009,40(5): 1354?1359.

WU Xiao-feng, LIU Hong-xia, SHI Li-chun, et al. Characteristic analysis of a new high-speed and low-power CMOS dynamic comparator[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2009, 40(5): 1354?1359.

[14] Nancovska I, Kranjec P, Jeglic A. Case study of the predictive models used for stability improvement of the DC voltage reference source instrumentation and measurement[J]. IEEE Transactions, 1998, 47(6): 1487?1491.

[15] 朱正涌. 半導體集成電路[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003:35?36.

ZHU Zheng-yong. Semiconductor integrated circuit[M]. Beijing:Tsinghua University Press, 2003: 35?36.

(編輯 陳燦華)

Design of low temperature dependence voltage reference circuit for PWM

WU Tie-feng1,2, ZHANG He-ming1, HU Hui-yong1, LI Min1

(1. Key Laboratory of Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices,School of Micro-electronics, Xidian University, Xi’an 710071, China;2. School of Information & Electronic Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

In order to provide steady voltage for PWM controller, the design of a high precision bipolar voltage reference circuit which is simple in structure and high performance was presented. The circuit based on the compensation principle between positive temperature coefficient of Zener diode and negative one of B-E junction of triode was used in PWM controller and multi-way steady voltages were brought out. The results show that there is a high power supply rejection ratio (PSRR) with low temperature dependence. The temperature coefficient is about 1.2×10?6/℃ at ?55?125 ℃. The line regulation is about 0.4 mV/V in the power supply voltage range from 8 V to 30 V and the PSRR 77.54 dB. The design of circuit can satisfy the requirements for PWM controller.

voltage reference; PWM controller; temperature coefficient; temperature compensation; bipolar process;analog circuit

TN431.1

A

1672?7207(2010)06?2269?05

2010?01?15；

2010?03?22

國家部委基金資助項目(9140C0905040706).

吳鐵峰(1974?)，男，黑龍江佳木斯人，博士研究生，從事高速半導體器件與集成電路設計的研究；電話：13227728572；E-mail:wu_tiefeng@163.com