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MAXV高精度电压基准芯片
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当前位置：&>>&&>>&&>>&一款高精度基准电压源的设计方案
　　摘要：随着深亚微米CMOS工艺的发展，尺寸按比例不断缩小，对芯片面积的挑战越来越严重，双极型以及高精度所占用的面积则成为一个非常严重的问题。鉴于此，本文提出了一款高精度的基准电压源的设计方案，经证实，该电路具备占用芯片面积小，精度高，可移植性强的优势特性。
　　0 引 言
　　随着的发展，一个高稳定、高精度的基准电压源变得越来越重要。特别是在D/A,A/D转换以及电路中，温度稳定性和精度之间关系到整个电路的精确度和性能。
　　当今设计的基准电压源大多数采用BJT带隙基准电压源结构，以及利用MOS晶体管的亚阈特性产生基准电压源；然而，随着深亚微米CMOS工艺的发展，尺寸按比例不断缩小，对芯片面积的挑战越来越严重，双极型晶体管以及高精度电阻所占用的面积则成为一个非常严重的问题。在此，提出一种通过两个工作在饱和区的MOS管的栅源电压差原理，产生一个与绝对温度成正比（PTAT）的电流，利用这个电流与一个工作在饱和区的连接的NMOS晶体管的阈值电压进行补偿，实现了一个低温漂、高精度的基准电压源的设计。
　　1 NMOS晶体管的构成
　　两个工作在弱反型区的NMOS晶体管M1和M2的结构如图1所示。
　　其输出电压V0可以表示为：
　　式中：UT=kT/q;k为波尔兹曼常数；△V表示实际中晶体管失配引入的误差，是个常数，这里忽略它的影响。由此得到：
　　式中：是由温度决定的倍增因子，后面将对其温度特性进行讨论。
　　对于NMOS晶体管M1和M2,其栅源电压分别为Vgs1和Vgs2,那么图3中电压为：
　　如果利用前面提到的两个工作在弱反型区的MOS管输出电压特性来控制两个工作在饱和区的NMOS的栅极电压Vgs1和Vgs2,使得：
　　式中：λ为比例常数。
　　将式（5）代入到式（3）可得：
　　对于参数KM1,它主要受晶体管迁移率λ的影响，通常被定义为：
　　式中：T为绝对温度；α由工艺决定，典型值为1.5.将式（7）代人式（6）可得：
　　它为一个与温度无关的常数。
　　通过上面分析可知，此方法可以得到一个与绝对温度成正比（PTAT）的电流I1.具体实现电路如图3所示。
　　图3电路中，M3~M6四个PMOS晶体管工作在饱和区，它们的宽长比相同。M1和M2两个NMOS晶体管工作在饱和区，它们的宽长比为（W/L）2/（W/L）1=m.通过调节电路，使得M7~M10四个NMOS晶体管工作在深线性区。现在讨论电路的工作原理。
　　对于X点和Y点的对地电压，可以分别表示为：
　　通过式（5）和式（15）可以看出，在这个电路中，式（5）的系数：
　　它是一个仅与器件尺寸有关，而与温度无关的常数。
　　通过式（9）和式（10）可知，此电路可以产生一个与绝对温度成正比的电流。
　　2 基准电压的设计
　　对于一个工作在饱和区的二极管连接NMOS晶体管，如图4所示，它的Vgs=Vds流过它的饱和漏电流为：
　　对于MOS管的阈值电压Vth,它的一阶近似表达式可以表示为：
　　式中：Vth0为MOS管工作在绝对零度时的阈值电压；aVT为一个与温度无关的常数；T-T0为温度变化量。对于一个MOS管的迁移率μn:它的大小可以表示为：
　　μn=μn0（T/T0）-m （19）
　　式中：μn0为绝对温度时MOS管的迁移率值；T0为绝对零度；T为温度变化量；m为比例变化因子，它的典型值为1.5.
　　令式（10）中I1为式（17）中的Id,即：I1=Id,将式（10）、式（18）和式（19）代人式（17）整理可得：
　　从式（21）可看出，如果适当调节晶体管的宽长比W/L,使得зVgs/зT=0,即：
　　便可以得到一个高精度、与温度无关的Vgs,即Vref=Vgs=Vds.此思想设计的具体实现电路如图5所示。
　　对图5进行分析，NMOS晶体管M1和M2通过Vgs1和Vgs2产生漏电流Id1,再通过M3和M7,使得它流入二极管连接的NMOS晶体管 M12,产生一个基准电压源Vref.在图5中，M3~M7五个晶体管尺寸相同，M1和M2晶体管的宽长比比例为1:m.式（21）中的W/L为图5中二极管连接M12管的宽长比。
　　3 仿真结果与分析
　　对图3PTAT产生电路进行仿真，可以得到图6仿真结果。
　　从图6仿真结果可以看出，流过M1管的漏电流与绝对温度成正比，αI/αT△0.6.
　　对图5基准电压源电路进行仿真，可得如图7所示结果。通过对图7分析可知，在25℃时，基准电压源的电压约为1.094.04 V,在整个温度范围（-40~80℃）内，其温度漂移系数为6.12 ppm/℃，满足高精度基准电压源的设计要求。
　　4 结 语
　　在此，基于SMIC 0.18μm CMOS工艺，采用一阶温度补偿作为基准电压补偿，提出一种新颖的PTAT电流产生电路结构，以对二极管连接的NMOS晶体管的阈值电压进行补偿，得到一个高精度基准电压源。该电路占用芯片面积小，精度高，可移植性强，非常适用于当今高精度的A/D,D/A和高精度运放偏置电路。此电路已成功应用于某款高速DAC芯片中。
技术资料出处:21IC中国电子网
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当前位置：&>>&&>>&&>>&电压基准芯片的参数解析及应用技巧
　　电压基准芯片是一类高性能模拟芯片，常用在各种数据采集系统中，实现高精度数据采集。几乎所有电压基准芯片都在为实现“高精度”而努力,但要在各种不同应用场合真正实现高精度，则需要了解电压基准的内部结构以及各项参数的涵义，并要掌握一些必要的应用技巧。
　　电压基准芯片的分类
　　根据内部基准电压产生结构不同，电压基准分为：带隙电压基准和电压基准两类。带隙电压基准结构是将一个正向偏置PN结和一个与VT（热电势）相关的电压串联，利用PN结的负温度系数与VT的正温度系数相抵消实现温度补偿。稳压管电压基准结构是将一个次表面击穿的稳压管和一个PN结串联，利用稳压管的正温度系数和PN结的负温度系数相抵消实现温度补偿。次表面击穿有利于降低噪声。稳压管电压基准的基准电压较高(约7V)；而带隙电压基准的基准电压比较低，因此后者在要求低供电电压的情况下应用更为广泛。
　　根据外部应用结构不同，电压基准分为：串联型和并联型两类。应用时，串联型电压基准与三端类似，基准电压与负载串联；并联型电压基准与稳压管类似，基准电压与负载并联。带隙电压基准和稳压管电压基准都可以应用到这两种结构中。串联型电压基准的优点在于,只要求输入电源提供芯片的静态电流，并在负载存在时提供负载电流；并联型电压基准则要求所设置的偏置电流大于芯片的静态电流与最大负载电流的总和，不适合低功耗应用。并联型电压基准的优点在于，采用电流偏置，能够满足很宽的输入电压范围，而且适合做悬浮式的电压基准。
　　电压基准芯片参数解析
　　安肯（北京）微即将推出的ICN25XX系列电压基准，是一系列高精度，低功耗的串联型电压基准，采用小尺寸的SOT23-3封装，提供1.25V、2.048V、2.5V、、、4.096V输出电压,并提供良好的温度漂移特性和噪声特性。
　　图1. 串联型电压基准芯片和并联型电压基准芯片示意图
　　表1列出了电压基准芯片与精度相关的各项参数。首先要考虑输出电压的初始精度。不同型号的电压基准芯片，初始精度可能从0.02%变化到1%。这就意味着它们能够达到不同的系统精度，0.02%能够适应12位的系统精度，1%只能够适应6位的系统精度。对于不能自行校准的系统，需要根据精度要求选择初始精度合适的芯片。多数系统设计者可以通过软件或硬件校准调整初始精度误差，因此初始精度并不是限制电压基准芯片应用的主要因素。
　　表1.电压基准芯片的主要参数。
　　输出电压的温度漂移系数是衡量电压基准芯片性能的一个重要参数。它代表一个平均量，可以通过这个参数估算芯片输出电压在整个工作温度范围内的变化范围，这个参数不代表某一特定温度点的输出电压随温度变化的斜率。由温度漂移导致的精度误差很难通过系统校准的方法来减小。
　　ICN25XX系列电压基准芯片采用专利的补偿电路和修调电路实现了良好的温度漂移特性：在-40?C到125?C温度范围内，温度漂移系数小于10ppm/?C。图2为测试得到的典型温度漂移曲线。
　　图2. ICN2520 典型温度漂移曲线
　　电压基准芯片的输出电压会随着使用时间增加而变化，通常是朝一个方向按指数特性变化，使用时间越长，变化越小，因此以公式1为单位表示电压基准芯片的长期稳定性，以反映输出电压变化量随使用时间指数衰减。长期稳定性是在几个月甚至几年的使用过程中体现出来的，很难通过出厂时的测试来保证。有些芯片会在出厂前经过一段时间的老化测试以保证较好的长期稳定性。定期对系统进行校准，可以避免长期稳定性带来的误差。对于无法定期校准的系统，就要选用具有良好的长期稳定性的电压基准芯片。采用金属壳封装的芯片，由于排除了封装应力的影响，因而一般具有更好的长期稳定性。
　　噪声是衡量电压基准芯片的性能的另一个重要参数。通常在0.1Hz到10Hz和10Hz到10kHz两个频率范围内给出噪声参数，以便设计者估算电压基准在所关注的频率范围内的噪声。输出噪声通常与输出电压成比例，以ppm为单位。0.1Hz到10Hz的噪声主要是闪烁噪声，或称为公式2噪声，其噪声幅度与频率成反比，一般会给出这一频率范围内噪声的峰峰值（P-P）。不同半导体器件的闪烁噪声特性差别很大，例如的闪烁噪声比较大，而双极型的闪烁噪声则要小得多，次表面击穿的稳压管闪烁噪声也很小，因此采用不同工艺设计的电压基准芯片，低频噪声特性差别会比较大。
　　图3. ICN2520电压基准芯片的噪声特性曲线
　　10Hz到10kHz频率范围以及高于这个频率范围的噪声主要是热噪声，在有效带宽内频率特性基本上是平坦的，通过给出的噪声有效值（rms）可以很容易估算出某一频率范围内的热噪声。增大电流可以有效降低噪声，因此优良的噪声特性往往是以牺牲功耗为代价的。用户可以在电压基准输出端添加滤波或其他滤波电路限制噪声带宽，以改善噪声特性，从而达到设计要求。
　　ICN25XX系列电压基准芯片采用特殊的内部结构，达到了CMOS工艺通常很难实现的低噪声水平：0.1Hz到10Hz为13ppm（P-P）；10Hz到10kHz为32ppm（rms）；而且还保持了CMOS工艺的功耗优势，静态电流仅为75A。
　　某些应用对电压基准芯片的瞬态特性会有要求。瞬态特性包括三个方面：上电建立时间、小信号输出阻抗（高频）、大信号恢复时间（动态负载）。不同厂商推出的电压基准芯片的瞬态特性可能区别很大，良好的瞬态特性往往也是以牺牲功耗为代价的。ICN25XX系列电压基准内部集成缓冲，采用特殊结构，能够提供良好的瞬态特性、线性调整率及负载调整率，并能够保证很大输出滤波电容范围内的稳定性。&&来源:
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