基准参考源的设计

【摘 要】设计了一种基准参考源,采用双极工艺,能够输出稳定的2.5V电压,温度范围在-40℃~105℃,精度为1%,采用了电阻修调网络对该基准参考源进行了修调,可调范围在2.38V~2.62V之间,灌流能力为1mA~100mA,并且进行了噪声仿真,满足了噪声要求.

【关 键 词】带隙基准；修调；噪声

1.引言

该基准参考源是为双运放芯片设计的,为一个独立运放和一个正向输入端带有一个固定2.5V参考电压的运放.我们主要负责研究的提供2.5V参考电压的电路.2.5V参考源电路中的带隙基准为三管能隙基准源[1],见图1所示.

2.基准参考源的理论分析

如图2所示,为参考电压的整体电路.由于在工艺上VBE值和电阻的比值都较易控制,所以这类电源的输出基准电压可以调的较准,电压温度系数可以做到很小,因此得到了广泛的应用.在需要较高的基准电压值时,则可采用在上述基准电压上再叠加VBE和增加电阻比值的办法来实现.我们所要研究的这个参考电压电路就是这样实现基准电压为2.5V的.由图2得出参考电压Vref：

（1）

由于,则

（2）

忽略基极电流对IC、IE的影响,则IC7＝I7,IC8＝I8.因为,则推出

（3）

而三极管发射极面积之比等于,根据电路的电流关系,I8＝3I7,则R9等于3R10.

将VR9等于I7R9,

代入（1）式,得：

（4）

检测设Q11和Q6的VBE相等,则

（5）

要获得零温度系数,则使

,常数.

3.噪声的仿真

噪声的类型主要有两种：电阻热噪声和闪烁噪声（又称噪声）[2].电阻R上的热噪声可以用一个串联的电压源来模拟,其单边谱密度为：

（6）

单位是V2/Hz.因此热噪声可以随着电阻的减小而减小.一开始电阻很大的时候,噪声很大,当将电阻减小一倍时热噪声减小的很快,再继续30%的时候,噪声降低就不是很大了,如图3所示,为最好的噪声情况.

噪声的公式为,由于该式与WL的反比关系得：要减小噪声的方法,就是必须增加器件的面积.以上各噪声图,在10Hz以下受噪声影响较大,要想减小10Hz以下频率时噪声陡然下降的趋势,可以考虑增大器件面积来减小噪声,而从10Hz～100kHz的热噪声,可以靠减小电阻来改变,但是即使再减小电阻,使热噪声降低很大的可能性也很小.增加噪声的带宽,可以使在想要的频率有能接受的噪声[3].噪声一般在MOS管中影响比较大,在双极晶体管中影响较小,所以当增大后面的Q2管子的面积时,噪声几乎没有改变.

4.修调网络的设计

在电阻的微调中,可用熔丝、齐纳击穿或激光修剪切割的方法来微调电阻.熔丝和齐纳击穿作为可编程开关,允许电阻网络进行再配置；而激光修剪切割可以以小于初始阻值±0.1%的分辨率进行增量调整,然而这种技术只能应用于薄膜电阻,并且需要购写自动化切割器昂贵,成本较高[4].在此,我们采用熔丝修调,其修调网络一般分为两种：串联网络和并联网络.

（1）并联修调

采用熔丝修调,开关一开始是短路的,trimming后断开.因此,与原来的修调正好相反,电阻R1修调也为粗调,但是断开后电阻变大,且会使Vref减小；R8电阻修调也为细调增大,会使Vref增大.由于仿真电压的波动范围为2.56V～2.5V～2.448V,所以修调为±60mV,每个间隔为10mV,可以把电压分成如图4.

R1为粗调电阻,首先根据原来的调好的2.5V电压调成2.56V,能推出R1a+R1b的阻值,然后并上r1,又恢复2.5V电压.

R8为细调电阻,这里我们使用了5个pad进行修调.

并联修调采用的pad相同,电阻尺寸也比较大,也比较麻烦.如果采用串联的修调网络,简单,并且用4个pad就能修调R8,修调的种类也多了,之前并联是6×2种,现在串联可以是7×2种.

（2）串联修调

电阻按减小30%时修调,噪声为,分辨率为18mV,电压调节范围2.607V～2.392V.同样,R1为粗调电阻,开关F1断开,基准电压由2.5V直接降低105mV.R8为细调电阻,将F2、F3、F4进行不同的组合可以使电压以15mV的步进升高,最大升高105mV.

5.结论

成功地为运放设计了一个基准参考源,采用双极工艺能够提供2.5V精准的电压,比CMOS工艺使用的带隙基准能够提供更精确的电压,由于为运放提供参考电压,对该基准源的噪声有了一定的要求,同时增加了修调电阻网络,保证了输出电压的精度,提高了芯片的成品率.