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一种用于精密电压基准检测的电路 在集成或电子设备中，需要为稳定偏压源提供电压参考电源，并提供参考电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定,而且这个直流电平应该与电源和工艺参数的关系很小,但与温度的关系是确定的。 1 基极-发射极电压与vbe的组合关系 晶体管的发射结电压UBE具有负温度系数,而热电压(UT=kT/q)具有正温度系数。对于一个双极器件,流过其集电极的电流IC=ISexp(VBE/VT),其中,饱和电流IS正比于μkTni2,μ为少数载流子的迁移率,ni为硅的本征载流子的浓度。这些参数与温度的关系可以表示为μ∝μ0Tm,其中m?-3/2,并且ni2∝T3exp[-Eg/(kT)],Eg?1.12 eV,为硅的带隙能量。所以: ΙS=BΤ4+mexp-EgkΤ(1)IS=BT4+mexp?EgkT(1) 其中B是一个比例系数。于是可得VBE=VTln(IC/IS)=KT/qIn(IC/IS),在假设IC随温度保持不变的情况下可得: ?VBE?Τ=?VΤ?ΤlnΙCΙS-VΤΙS?ΙS?Τ(2)?VBE?T=?VT?TlnICIS?VTIS?IS?T(2) 又由式(1)可得: ?ΙS?Τ=b(4+m)Τ3+mexp-EgkΤ+BΤ4+m(exp-EgkΤ)(EgkΤ2)(3)?IS?T=b(4+m)T3+mexp?EgkT+BT4+m(exp?EgkT)(EgkT2)(3) 所以: VΤΙS=?ΙS?Τ=(4+m)VΤΤ+EgkΤ2VΤ(4)VTIS=?IS?T=(4+m)VTT+EgkT2VT(4) 由式(2)和式(4)可得: ?VBE?Τ=VΤΤlnΙCΙS-(4+m)VΤΤ-EgkΤ2VΤ=VBE-(4+m)VΤ-Eg/qΤ(5) 从式(5)可以看出在给定温度T的情况下,基极-发射极电压的温度系数与VBE本身的大小及温度的高低都有关。就温度而言,双极晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数。又因为人们在1964年发现如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下,那么他们的基极-发射极电压的差值即ΔVBE就与绝对温度T成正比,即表现为正温度系数。 如果二者组合,则可获得温度稳定性很好的基准电源。带隙基准电压源正是基于这种原理而实现的。带隙基准电压源的工作原理图如图1所示。 UBE为负温度系数,UT发生器乘以系数K为正温度系数,二者经相加后得到基准电压UREF: UREF=UBE+ΚUΤ(6) 在室温下,?VBE/?T?-1.5 MV/°K,然而?VT/?T?+0.087 MV/°K,所以可通过选择K的值使K×0.087 mV/°K=1.5 mV /°K,经计算得当K=17.2时,所取得的值为零温度系数基准。即 UREF?VBE+17.2VΤ?1.25V 2 带沟模型电路 2.1 双极晶体的电压 等效电路如图2所示,图中双极晶体管Q3和Q4为PNP恒流源,作为Q1,Q2管基电极的有源负载,设ΙC3ΙC4=ΙC1ΙC2?ΙE1ΙE2=p,其中Icn和IEn分别表示流过三极管Qn的集电极电流和发射极的电流。与此相同,IBn和IR分别表示流过三极管Qn的基极电流和流过电阻的电流。 则由图2可得,加在电阻上R2的电压VR2为: VR2=(ΙE1+ΙE2)R2=(1+Ρ)ΙE2R2=(1+Ρ)ΔVBER1R2=(1+Ρ)R2R1ΔVBE=(1+Ρ)R2R1kΤqlnJ1J2 ΔVBE表示双极晶体管Q1和Q2的基极-发射极电压的差值,为负温度系数。J1和J2分别表示晶体管Q1和Q2发射极的电流密度。所以: VREF=VBE+(1+p)(1+Ρ)R2R1kΤqlnJ1J2 若p=1,则可以通过选取的比值求得使VREF处于零温度系数状态下的值。经计算,该值等于1.25 V。 2.2 chearf输出 实际设计电路图如图3所示。 基准产生电路由3部分组成,他们分别是启动部分;基准产生部分和反馈电路部分。LB16为基准电压产生模块的使能信号,其中基准电压模块要正常工作,LB16需为高电平。输入信号GR为输入电压偏置信号,以控制非门INV4所能输出的最高电位。输出信号VREF该模块所产生的基准电压信号,其中基准电压的典型值为1.25 V。CHEREF为基准电压模块的逻辑检测信号,其功能是检测输出的基准电压VREF否达到1.25 V,若没有,则CHEREF输出低电平;若达到1.25 V,则CHEREF的输出为高电平。 在启动电路中,随着电源电压VIN的不断升高,当非门INV4的输出电压达到晶体管M418的阈值电压约0.8 V时,电路开始启动,并迅速使基准产生部分电路中的三极管Q6P8和Q11(相当于图1中的Q1和Q2)的基极电压上升,与此同时,反馈电路中的三极管Q17P8和Q25的基极电压也上升。与图1中不同的是Q6P8和Q11的共基极的