基于汽车环境的带隙基准电压源的设计

1 引言
    带隙基准电压源广泛应用于A／D转换器、D／A转换器、集成稳压器以及传感器接口电路。随着电路系统的大规模化和SOC的发展，系统设计对带隙基准电压源的温度、电压、工艺稳定性、电路板面积要求较高。尤其是汽车电子行业对芯片的集成度，电源稳定性和安全性都提出较高要求。
    在分析传统基准电压源和论证曲率补偿技术的基础上，提出了一种适用于汽车ABS轮速传感器接口的带隙基准电压源电路设计方案。考虑到汽车运行时温差大、噪声多、路况坏等环境因素，未采用结构复杂的运算放大器，而使用一阶曲率补偿技术，这样在很大程度上提高了电压源的稳定性和抗干扰能力，使用成熟的Bipolar工艺可有效降低器件的损坏率。该设计还引入启动电路，解决了传统带隙基准电压源附加功耗较大等问题。运用了Cadence Spectre工具对电路仿真，结果表明，该设计完全达到汽车电子要求，具有较高的实用价值。

2 带隙基准原理
    带隙基准输出稳定的直流电压，并且该直流电压对温度和电源电压不敏感。集成电路通常采用温度系数相反且与电源电压无关的标准电压，这两个标准电压通过相互补偿实现元件间匹配和温度跟踪。
    图l给出典型二管带隙基准源电路，该电路利用VN1、VN2管的有效发射结面积比和电阻R1、R2的阻值比来获取接近零温度系数的基准源。

    电路中，两个相同的晶体管VP1和VP2构成的PNP恒流源可作为VN1、VN2晶体管的集电极有源负载，晶体管VN2提供基极一发射极电压(UBE)，电阻R1上产生电压△UBE。由于IE1=IE2，则： 式中：△UBE=Ut1n[(IEl／AE1)/(IE2/AE2)]=Utln(J1/J2)；J为电流密度，J=I／A；AEl和AE2为发射结有效面积。
    由于IE1=IE2，J与温度无关，所以：

   
    理论上，只要合理设置R1、R2、AEl、AE2，其输出则可达到理想温度系数。由于受VPl、VP2集电极电压的不稳定等因素影响，实际输出与理论值存在偏差，因此，运算放大器被引入基准电源。

3 传统带运算放大器的带隙基准电路
    图2为带运算放大器的带隙基准电路，引入运算放大器可解决电压不稳定问题。由于该电路连接具有负反馈，所以，VQ1、VQ2箝位于同一电位，电源抑制比提高，功耗降低。但其传统的带隙基准电路却具有运算放大器固有失调等问题，放大运算放大器的输入失调电压，导致输出电压产生误差，严重影响带隙基准电压源精度；同时，其输入失调电压随温度变化，这样可使输出电压的温度系数增大。因此，系统设计不采用运算放大器也同样达到性能更佳。

   
4 基于汽车环境的带隙基准电压源设计
4．1 采用一阶曲率补偿技术的带隙基准电压源设计
    图3是一种应用于汽车ABS轮速传感器接口的带隙基准电压源电路，该电路设计采用双极性工艺和一阶曲率补偿技术，考虑到汽车行驶环境温度变化大，车身空间有限以及安全性能等问题，要求电路具有宽泛的温度范围，电路面积小，电源抑制比高以及工作性能稳定等性能。

    A1、A2、A3分别是NPN晶体管VN1，VN2，VN3的发射极面积，且AA：A2：A3=1：P：Q(P与Q为常量)，由式(1)可知：

   

   
式中：k为玻耳兹曼常数，k=1.380x10-23J/K；T为温度；q为电子电量；q=1.602x10-19C。

    式(7)的前两项为与绝对温度(PTAT)成正比的电流，设IPTAT，传统基准只用该电流补偿UBE，而改进后的电路的VN3、R3可生成非线性部分电流INL，即式(7)的最后一项，可有效补偿UBE的非线性部分，以达到较好的温度特性，所以：

式中，n为常数，与晶体管的制作工艺有关，n=1．5～2．2。
    电路上电后，VN9和VN8构成的BE结二极管可使NN10的基极箝位于1．4V。VNl0导通，电流由VCC通过VN10灌入VN1、VN2和VN3的基极，这三个晶体管导通，从而降低启动管功耗。基准电源电压工作后，提高VN10的发射极电平，VN10关断。
4．2 布局设计
    由于汽车环境的特殊性，要求电路板布局严格，整体电路采用上海贝岭2μm 40 V Bipolar工艺。双极性工艺要比MOS工艺稳定得多，通常被击穿和损坏率较低，抗辐射和干扰能力较强。在布局时，应重点注意噪声干扰和调试准确性，带隙基准电压源应紧邻电源和地线，并且地线应与其他模块地线分开单独设置，这样可避免两条地线产生的纹波叠加。3个小尺寸测试压焊块的两侧连接多个电阻，可通过烧断其间的金属丝来测试实际器件的输出值，这就为器件的准确调试提供了方便。

5 仿真结果
    使用Cadence spectre分别仿真电路的温度扫描和电源变化分析，由于参数计算结果与仿真模型存在误差，仿真时应适当调节，保证正常输出基准电压。如图4所示，当温度从一50℃~150℃变化时，UREF从1．260 3 V变化至1．265 2 V，最大变化量为4．9 mV，温度系数为24 ppm/℃，而普通的一阶补偿的带隙基准电压源的温度系数大于30 ppm/℃，因此，该改进后的电路性能有较大的改善。
    27℃时，当电源电压(U)在5~16 V变化，UREF变化范围为1．264 60～1．264 97 V，变量为0．37 mV，UREF的电源抑制特性曲线如图5所示。

6 结语
    在分析传统带运算放大器的带隙基准电压源的基础上，应用曲率补偿技术设计一种适用于车载电子的带隙基准电压源，该电路采用双极性工艺，结构简单新颖，集成度高且可移植性强。通过Cadence Spectre仿真结果显示，该电路可在宽泛
的温度范围内稳定输出，随温度变化其变化率只有24 ppm/℃，电源抑制性好．抗干扰能力强，完全符合汽车电子标准。