范文一:负电压基准电路(-2.5V/-5V电压基准)
运算放大器大多数都是双电源的,这就要求有正负基准电压,除了从稳压源直接输出电压外,很多时候都是一个单电源对整个电路供电,这就要求要把正电压转换成负电压,从而产生正负的电压基准,对双电源运算放大器进行供电。
电路一:
一个负精确电压基准通过使用MCP1525 或MCP1541 来产生如图所示
在这个电路中使用MCP606 和两个等值的电阻实现电压隔离。MCP1525电压基准的输出电压驱动R1,R1和MCP606放大器的反向输入连接。既然放大器的输入为0,第二个10KΩ电阻器被放置在放大器的反馈回路放大器的放大倍数为1,因此输出电压就等于-2.5V。
同理,我们可以采用其他公司的电压基准芯片产生正的电压基准,再通过运放搭一个反相运算放大电路,使得输出为负的电压基准。这样就能产生负电压基准。
电路2:
电荷泵倒相器(U2)将5V 精密基准源(U1)的输出反相,产生-5V 基准电压。U1 输入电压范围为5.2V 至12.5V,如需获得 -2.5V 的基准电压,可用MAX6125(输入电压+2.7V至12.5V)替代U1。该方案电路结构非常紧凑,芯片采用SOT23 封装,外部只需要三个标贴电容。
这个电路的缺点是由于电流泵MAX828的使用,输出信号会有一个电流泵振荡频率的干扰,而这个振荡频率的产生是由于电流泵的工作原理而决定的,从MAX828的Datasheet可以看到MAX828的Oscillator Frequency(振荡频率)为6~20kHz。
周期占四格,为80μs,频率约为12.5kHz
如果应用在对输出信号要求很高的场合下,这个叠加在输出信号的周期噪声可能是致命的,如输出信号的频率与电流泵的频率相近,这样的话输出信号将很难分辨。所以电压基准源+电流泵反相这样的电路还是慎用!
参考资料:
1.??? 2.5V和4.096V电压基准—MCP1525/1541,武汉力源。
2.??? 精密的、微型负电压基准源,Maxim公司。
3.??? MAX828-MAX829 Datasheet.
范文二:一种高精度能隙基准电压电路
第25卷 第1期 2005年2月
Vol.25,No.1固体电子学研究与进展
Feb.,2005硅微电子
一种高精度能隙基准电压电路
李浩亮 何乐年 严晓浪
(浙江大学超大规模集成电路设计研究所,杭州,310027)
2004204230收稿,2004206222收改稿
Ξ
摘要:在分析了几种基准电压源的基础上,设计并实现了一种高精度用于高速串行通信接口的CMOS能隙基准电压电路。电路采用了两级高增益运放的优化结构,基于TSMC公司的CMOS0.25Λm混合信号模型的仿真结果表明电路输出电压在-50~70°C的温度内波动范围为0.057%。芯片流片测试结果发现基准电压电路在输入电压为2.5V的条件下,工作在-50~70°~1.2356V,输出电压变化C的温度范围内,输出电压变化范围为1.2337率为0.154%,与仿真结果之间的平均偏差为0.016%。能隙基准电压电路的版图面积为Λm×164Λm。
关键词:能隙;电压基准;高精度;互补金属氧化物半导体
中图分类号:TN402 文献标识码:A 文章编号:)01AHVoltageReference
LIHaoliang HELenian YANXiaolang
(InstituteofVLSIDesign,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310027,CHN)
Abstract:Baseduponanalysisofseveraltypesofbandgapvoltagereferencecircuit,wedemonstrateahighprecisioncircuitofbandgapvoltagereferencewithrelativelysimplestructureforhigh2speedseriallink.Withanimprovedstructureoftwo2stagehigh2gainoperationalamplifier,thesimulationresultsshowthattheerrorinworstcaseis0.057%overthetemperaturerangeof-50~70°C.TestcircuitshavebeenfabricatedinTSMC0.25Λm.Experi~1.CMOSmixed2signalmodelprocessmentalresultsyieldanoutputvoltage1.23372356Vwhichisconstantwithin0.154%overthetemperaturerangeof-50~70°Cwithpowersupplyof2.5V,andaverageerrorof0.016%betweensimulationandexperimentalresults.Thechipareaofbandgapvoltagereferencecircuitis158Λm×164Λm.
Keywords:bandgap;voltagereference;high-precise;CMOSEEACC:2570
1 引 言
在集成电路设计和应用中,基准电压源是一个
重要的电路模块。例如,集成数据采集系统(A D
Ξ
或D A)的采集精度最终由参考电压相对于电源电
压精度以及工作温度范围而定[1]。能隙电压源也是很多通信系统中的一个核心的高稳定性、高精度集成模块[2]。能隙基准电压源具有较高的电源抑制比
基金项目:国家863高科技计划项目(NO.2002AA1Z1320)
.zju.edu.cn;helenian@vlsi.zju.edu.cnE2m
ail:lihl@vlsi
78固 体 电 子 学 研 究 与 进 展25
卷
和较低的温度系数,是迄今为止用于集成电路中的最为流行的高性能参考电压源[3]。
由于能隙基准电压源的重要性,很多研究者在这方面进行了大量的研究。Maramreddy等人[4]使用BiCMOS工艺提出了一种最小化高阶温度响应的低噪音亚能隙(Sub2bandgap)电路,在1V直流电压下,输
运放A将节点X和节点Y处电压钳制为同电位,而VBE1-VBE2=VTlnN,使得节点Y支路电流为
VTlnN R3,于是输出电压可由下式给出:
VOUT=VBE2+VTlnN R3(R3+R2)
=VBE2+VTlnN(1+R2 R3)。
出203mV电压。Sandhya等人[5]使用标准N2阱
CMOS数字工艺对所设计电路仿真,发现其可工作在3~5V范围内,仿真温度从0~90°C,输出电压变化范
[2]围仅为0.4mV;Sheng[6]、Yang分别设计了可工作
可以看出,为得到零温度系数,应使lnN(1+R2
R3)≈17.2。比如,可以选择N=31、R2 R3=4
。
在1V和1.8V低压电源下的能隙基准。Vermaas等人[7]使用0.8Λm的N2阱数字CMOS工艺设计的能隙
基准,在输入电压5V±10%的条件下和-40~95°C范围内,测得输出电压变化范围稳定在0.72%。
[3]
(?VBEladder)技“?VBE梯子”Timothy则利用
术对所设计的能隙基准进行高阶温度补偿,从而将能隙
基准的温度系数降至5ppm °。C以下上述的研究结论基本上是基于电路仿真。仿真的结果需要通过实体芯片测试,,[7]。
本文在分析几种基准电压源的基础上,设计并实现了一种高精度、高稳定的能隙基准电压电路。采用TSMC公司的CMOS0.25Λm混合信号模型进行仿真和流片。测试结果表明:输入电压为2.5V的条件下,在-50~70°C范围内,输出电压变化范围为1.2337~1.2356V,变化率仅为0.154%。
图1 基本能隙基准电压电路
Fig.1 Basicreferencecircuit
图1中的电路也是最常见的基准电路实现结
构,然而,其固有的偏置电流失配在很大程度上限制了它的输出电压精度[9]。例如,图1中运放A输入端微小的失配可导致X、Y两支路偏置电流的偏移,从而进一步导致输出参考电压的变化。
本文设计了一种应用于高速串行通信接口的高精度能隙基准电压电路。其拓扑结构示意在图2中,使用运放A输出通过晶体管M2、M1来分别控制X、Y两支路的电流,以避免图1中由于偏置电流失配所引起的输出电压变化。此时,由于X、Y两支路的电流分别由M2、M1的VGS控制,因此,当M2、M1完全相同时,即使运放A的输出有微小波动,
V
GS
2 能隙基准电压电路工作原理分析
一个最基本的能隙基准电压电路如图1所示,其基本工作原理在于利用PN结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN结电压差的正温度系数相互补偿,使输出电压达到很低的温度漂移
[8,9]
的变化对晶体管M2、M1而言完全相同,因此,
X、Y两支路的电流将得到最大程度匹配。
。输出电压则为
V
ref
=Α1VBE+Α2(VTlnN),
这里VTlnN是工作在不同电流密度下两个二极管间基极2发射极电压之差。室温下,
5VBE 5T≈-1.5mV K5VT 5T≈+0.087mV K
这样令Α.0871=1,同时选择Α2,使得(Α2lnN)×(0
.2,这说明在零2lnN≈17mV K)=1.5mV K,即Α温度系数条件下:Vref≈VBE+17.2VT。对应于图1,
在图1中,设定运放A的增益为无限大,这在
实际中是不可能的。但在实际电路拓扑结构中,运放的增益越大,就越能保证X、Y支路的输入端电平得到正确钳位,因此就越能保证输出电压VO的稳定。文献[7]的运算放大器采用折叠级联(Folded2cascode)放大器后增益达到92dB。在这一电路中,采用经过优化的、增益更高的两级(Two2如图2所示,stage)放大器并使得增益达到162dB。模块(b)左侧的M5~M10组成第一级放大器,模块(b)右侧的M3和M4组成第二级放大器。
1期李浩亮等:一种高精度能隙基准电压电路 79
图2 能隙基准电压电路拓扑结构
Fig.2 Circuittopologyforthebandgapreferencevoltage
为了防止运放输出振荡,还在两级放大器的输出端之间增加了大小为1pF的密勒电容C0(模块b中晶体管M4上侧)对电路进行相位补偿。
实际中电路还要增加启动(Start2提供稳定偏置的电路,
的模块(c)、数,。
温测试室进行,,即30~70°C、
313°50C,以下分别简称为高、PO的DM6801B(温度范围:-50199°C,温度分辨率:±0.1°C)。输出电压值采用高精度万用表(型号:HammerDT9203,电压分辨率:0.0001V)测量。其中高温段测试采用专用加热台对芯片进行加热,持续加热至75°C左右时开始在保温箱中逐渐降温(这样可保证芯片内部温度尽量等同于测试温度值);中温段分为31~20°C的自然冷却时间和20~3°C的冰块冷却时间,在冰块冷却时间内,在恒温箱内部芯片测试PCB板周围放入若干纸杯装入的冰块,待温度恒定在2、3°C一定时间并稳定后,逐杯移开冰块,同时记录测试结果。对于低温段,将中温段纸杯中冰块换为-190°C左右的液氮,连同PCB板一同置于恒温箱中,然后按照中温段步骤逐渐稳定升温进行测量。
将测试所得数据进行整理,并和仿真曲线比较,得到图4所示的基准电路输出电压随温度变化曲线图。
图4的仿真结果曲线表明,曲线在20°C时达到最大值1
.2352V,而最低值发生在-50°C时,此时能隙基准输出电压为1.2345V。电路在-50~70°C范围内的前仿真的输出电压变化率为(1.2352-1.2345) 1.2352=0.057%;流片测试结果曲线表明,能隙基准电压源在输入电压为2.5V的条件下,在-50~70°C的温度范围内,输出电压稳定在1.2337~1.2356V,输出电压变化率仅为0.
4 版图及实验结果
所提出的能隙基准电压电路以TSMC0.25ΛmCMOS混合信号技术实现,整个基准电压源集成在一个完成高速串行通信接口功能的芯片中。能隙基准部分面积为158Λm×164Λm。图3为本文所设计的能隙基准版图。测试环境基于实验室专用25°C恒
图3 能隙基准电压电路的版图
Fig.3 Layoutofbandgapreferencecircuit
80固 体 电 子 学 研 究 与 进 展25卷
2356V,输出电压变化率仅为0.154%。
参考文献
[1] TAYLORKC,CONNELLYJA.Ananalysis
methodologytoidentifydominantnoisesourcesinD AandA Dconverters[J].IEEETransactionson
图4 能隙基准电路的仿真及实测曲线图
Fig.4 Simulationandexperimentalresults2variations
ofV
ref
CircuitsandSystems,1991;38(10):113321144[2] YangL,ShiYF,LiL,etal.CMOSbandgap
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Circuits[M],NewYork:McGraw2Hill,2000:3802390
2003
5thInternationalConferenceonASICProceedings
5th
International
Conference
on
ASIC
Proceedings[C],Beijing:IEEEPRESS,2003:6112
withtemperature
154%。流片测试结果与仿真结果的特殊值比较见
表1。
表1 仿真结果与流片测试结果的比较
.Tab
1 Comparison
of
simulation
results
experimentalresults
Average
Max
MinWorsterror,[7,表设计基准电路和文献]中电路进行性能比较。
表2 能隙基准电路和文献[7]中电路的参数比较
.2 ComparisonofsomeparametersbetweenbandgapTab
circuitandreference[7]Process
Lib
TemperatureAreaofchipSupplyWorst
222×685158×164
52.5
0.7200.154
Refere20.8Λm,
2~95nceNwellAMS-40
0.25ΛThism,
~70TSMC-50
5 结 论
能隙基准电压电路是用于集成电路中的最为流行的高性能参考电压电路。它不仅决定了数据采集系统(A D或D A)的采集精度,在很多通信系统中也是一个重要的集成模块。本文在分析几种基准电压源的基础上,设计并流片实现了一种高精度、用于高速串行通信系统的能隙基准电压电路。电路设计基于TSMC的CMOS0.25Λm混合信号模型。电路采用了两级高增益运放的优化结构。流片测试结果表明,基准电压电路在输入电压为2.5V的条件下,在-50~70°~1.C的温度范围内,输出电压稳定在1.2337
李浩亮(LIHaoliang) 浙江大学超大规
模集成电路设计研究所博士生,研究方向:数模混合集成电路设计。
何乐年(HELenian) 浙江大学超大规模集成电路设计研究所教授、博士,研究方向:半导体器件与模拟集成电路设计。严晓浪(YANXiaolang) 浙江大学超大规模集成电路设计研究所所长,教授,博士生导师。
范文三:电压基准源TL431 典型应用电路
电压基准源 TL431 典型应用电路
2008-09-18 09:06
TL431精密可调基准电源有如下特点:稳压值从 2.5~36V连续可调 ; 参考电压原 误差 +-1.0%,低动态输出电阻 , 典型值为 0.22欧姆输出电流 1.0~100毫安 ; 全温 度范围内温度特性平坦,典型值为 50ppm; 低输出电压噪声。典型应用电路如 下:
1:精密基准电压源 (附图 1) 该电路具有良好的温度稳定性及较大的输出电流。 但在连接容性负载时,应特别注意 CL 的取值,以免自激。
2:可调稳压电源(附图 2) Vo 可在 2.5~36V之间调节。
V0=Vref(1+R1/R2)(Vref=2.5v),由于承受电压与(Vi – Vo )有关,因此压差很 大时, R 的功耗随之增加。使用时注意。
3:过电压保护电路(附图 3)当 Vi 超过一定电压时, TL431触发,使晶闸管导 通, 产生瞬间大电流, 将保险丝熔断, 从而保护后极电路。 V 保护点 =(1+R1/R2)
Vref.
4:恒流源电路 (附图 4----拉电流负载) (附图 5---灌电流负载) 恒流值与 Vref 和外加电阻有关,功率晶体管选用时要考虑余量。该恒流源如与稳压线路配接,
可做电流限制器用。
5:比较器(附图 6)它是巧妙的运用了 Vref=2.5v这个临界电压。当
Vi 6:电压监视器(附图 7)利用 TL431的转移特性,组成实用电压监视器。当电 压处于上下限电压之间, LED 电量,上下限电压分别为(1+R1/R2) Vref 和 (1+R3/R4) Vref 。 不需基准电压的电流检测电路 MCU的模拟信号输入端,(+5V供电电源条件下)对输入信号的幅度和极性均有要求,(1)要求输入信号不高于5V;(2)不接受负的输入电压信号。 电流互感器输出的电流检测信号,为交变电压信号,不能适应MCU对输入信号单极性的要求。要将此交变信号处理为0~5V以内的直流信号,通常有两种方法: (1)进行精密半波或全波的整流,同时进行信号幅度的处理; (2)输入信号与-2.5V基准电压相合成,并倒相,处理为在2.5V(2.5V为零电流基准)上下变化的0~5V以内电压信号。 在人们的常识中,运放电路是不需加上拉电阻的,开路集电极输出式电压比较器,才需要在输出端接入上拉电阻,以形成信号输出。 近修小功率欧瑞变频器,其后级电流检测电路如图一所示: 图一 电流检测后级电路 乍看该电路,楞了一下,再一想,也算明白了。 该电路省去了基准电压电路,电路静态时由两只10k电阻分压为+3.3V的一半,约为1.6V(此为零电流信号基准),动态时交变输入信号与1.6V相加减,形成0~3.3V范围以内的电流检测信号,送入MCU引脚。 在运放电路的输出端加入上拉电阻,原来是取得基准电压(零电流基准信号)的另一种形式啊。 基准电压电路 摘要:本发明公开一种基准电压电路,其包括启动电路、正温度系数基准电路和偏置电压电路;其中偏置电压电路包括PMOS 管MP3、电阻R2和负温度器件,该负温度器件为具有负温度系数的MOS 管;PMOS 管MP3的漏极依次串联负温度器件和电阻后接地,其中,负温度器件采用PMOS 管或者NMOS 管实现;正温度系数基准电路包括PMOS 管MP1、PMOS 管MP2、NMOS 管MN3、NMOS 管MN4和电阻R1,偏置电压电路包括PMOS 管MP3、PMOS 管MP4、电阻R2和电容C2。本发明的技术方案采用了正温度系数基准电路和负温度系数的器件,产生的基准电压就具有温度补偿作用,最终产生的基准电压随温度变化的影响就比较小。这保证了整个电路在高低温工作时的稳定性,提高了电路的整体性能。 申请人: 厦门新页科技有限公司 地址: 361000 福建省厦门市思明区软件园二期观日路36号101 发明(设计) 人: 林桂江 任连峰 陈荣金 杨凤炳 谢文卉 专利证书:第二页 转载请注明出处范文大全网 » 负电压基准电路(-2.5V/范文四:不需基准电压的电流检测电路
范文五:基准电压电路【实用新型专利】