一种带自动消除运放失调的高精度基准电压源设计

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1、一种带自动消除运放失调的高精度基准电压源设计苏黎伍莲洪尹浩成都嘉纳海威科技有限责任公司四川成都610000【文章】本文介绍了一种带自动消除运放失调的基准源。通过引入时钟信号来消除运算放大器的输入失调电压，提高基准源的精度和温度特性。仿真结果表明，在TSMC的0.18μm工艺下，该基准源能将7mV的运放失调电压减小为140μV，最大可消除20mV失调。基准源的基准电压：1.252V，输出电压纹波：6.5μV，温度系数：3ppm/℃,PSRR：-30dB4MHz。【关键词】带隙基准;运放失调;低温漂;电压源;

2、高精度0引言基准源广泛应用在混合集成电路设计中，随着电路系统的复杂程度越来越高，对其性能要求随之更高。传统的带隙基准电压源的工作原理是利用具有负温系数的PN结二极管的正向电压VBE和具有正温系数的热电压VT互相补偿实现；图1为传统带隙基准电压源的电路原理图。图1传统带隙基准电压源由于运算放大器OP的钳位作用，使得OP输入两端的端电压基本相等，即VX=VY+VOS，由于VX=VBE1，VY=VBE2+I2•R3+VOS，其中，VOS为OP的输入失调电压。根据双极型晶体管的工作特性可得基准电压VR

3、EF：(1)VT为热电压具有正温系数，由于VBE呈负温系数，通过调节n和式（1）中R2/R3的比值就可以得到具有零温度系数的VREF。然而，实际VOS不等于零，这就不可避免的对VREF带来一定的误差，从式（1）可知，VOS被放大了1+R2/R3倍；因此，消除VOS便成了获得高性能和高精度基准源的关键环节。1基准源工作原理及电路实现图2为本文所设计的基准源的系统电路图。1.1基准电压的产生方式如图2所示，由引言的描述可推出VREF的表达式为：（2）若消除VOS后，则式（2）可以改写为：VREF=VBE3+(

4、R4/R3)2NVTlnn（3）式（3）所示即为本文设计的基准电压源的输出电压需要的设计值表达式。1.2基准源启动电路图2中的启动电路由一个比较器以及电阻串分压电路组成。其工作原理为：当电路上电或不能启动时，电路中的Z点的电压为零。启动电路通过比较器输出VSTART控制N7和N8使电路摆脱“简并”偏置点并摆脱后不影响基准其余电路工作。1.3基准源时钟产生及控制电路时钟产生及控制电路的原理是通过一个三级环形振荡器产生四路方波信号VCTRL_P、VCTRL_N、VOC_P、VOC_N，其时序图如图3所示。图3

5、控制信号时序及VREF变化图1.4基准源的运放失调电压消除方式失调电压消除是通过如图2中失调电压消除电路以及运放一起在时钟的控制下实现的。为了方便分析我们将实际的运放用图2中的理想运放OP和一个值为VOS的失调电压源来代替。根据时序可以将VOS的消除过程分为两个阶段：检测阶段和消除阶段。如图3中所示，在起始段基准源工作在正常工作模式，此时图2中，P1和N6导通，N5、P2和P3关断，OP将其第一输入的正输入VINP和负输入VINN两点钳位，此时OP的VINP和VINN相等，VINP和X点电压VX相等，而V

6、INP和Y点电压VY差为VOS，即VX和VY有VOS的压差。由于VOS这个差值，VREF比设计值稍微偏高一些。VFB_P和VFB_N的初始电平分别是由P2和P3的漏电流及C2和C3的大小确定；因P2和P3为相同的管子以及C2和C3的大小相同，则VFB_P和VFB_N为相同的值。检测阶段如图3中“阶段1”所示，此时图2中，P1和N6关断，N5、P2和P3导通。此时OP的VINP接Y点，使得VY与VINP相等，这时OP的VINP与VINN相差VOS，并且由于是将VINP从X点切换到Y点，所以VINP变化量为之

7、前X、Y两点之间的电压差VOS，即VINP比VINN电压大VOS；由于VINP和VOC_IN极性相同，所以VOC_IN升高，VFB_P跟随VOC_IN升高并和VOC_IN相同，但由于VFB_N跟随前一阶段的VOC_IN，所以VFB_N不变。所以该阶段就将失调电压VOS导致的VOC_IN的变化量存储在电容C2和C3上。消除阶段如图3中“阶段2”所示，此时图2中，P1和N6导通，N5、P2和P3关断，即VINP接X点，Y点恢复以前的连接，此时X、Y两点的电压瞬时相等；这时，因为OP的钳位作用将使VINN上升到

8、图2基准源的系统电路图012电子科技ElectronicsTechnology电子制作和VINP一样的值，同时让VY的电压升高并让VOC_IN变低，但是由于P2和P3关断，所以VFB_P和VFB_N值不变，均保持在上述检测阶段时的值，即VFB_P大于VFB_N，反馈到OP输出后导致VOC_IN变低，从而能阻止VINN变高，使OP的VINP比VINN的电压高，让X、Y点之间的电压差VXY减小；而VXY的减小通过反馈会将检测阶段开