带隙基准源高阶曲率补偿方法研究.pdf

第 期(总第 期)年 月山西电子技术研究与探讨收稿日期:作者简介:程 亮()男山西太原人讲师硕士研究生研究方向:模拟集成电路设计、半导体器件、应用电子文章编号:()带隙基准源高阶曲率补偿方法研究程 亮(山西经济管理干部学院 山西 太原)摘 要:通过对带隙基准源电路原理进行研究与探索分析并推导出双极型晶体管基极发射极电压的温度特性函数 在详细阐述传统一阶曲率补偿带隙基准源电路工作原理的基础上为进一步降低基准电压的温度系数提出了一种新颖的具有高阶曲率补偿功能的电路结构 理论上可以完全消除晶体管基极发射极电压 中的非线性温度特性 该结构采用了两个具有不同温度特性集电极电流的晶体管来生成两路负温度特性电流这两路电流之差来消除基准电压中的温度非线性项 该方法优于文献中介绍的几种高阶曲率补偿方法关键词:带隙基准源温度系数与绝对温度成正比曲率补偿中图分类号:文献标识码:():.:引言带隙基准源是一种与电源电压、环境温度和半导体制造工艺的变动无关能提供稳定的电流或电压的集成电路 基准源是模拟集成电路如模数转换器()低压差线性稳压器()及 转换器的重要组成部分其输出信号的稳定性直接影响系统的性能随着电子技术的发展对基准源的精度提出了更高的要求 高精度基准源一般通过消除温度的线性效应和非线性效应来实现 抵消温度的非线性效应即高阶曲率补偿技术是提高基准源精度的关键高阶曲率补偿方法一般是通过产生一个极性相反的非线性项来抵消基准电压中的非线性温度特性 生成非线性项的方法有 曲率矫正技术、二极管环路技术、补偿技术及分段补偿技术等这些技术产生的非线性项无法实现与基准电压中的非线性温度特性完全匹配 本文在深入分析带隙基准电压温度特性的基础上提出了一种能够与基准电压中的非线性温度特性完全抵消的非线性项产生电路以实现低温度系数的目的 电压温度特性分析电压基准源由二极管、电流镜和电流基准源三个部分组成 其中二极管电压的温度特性将影响整个基准电压的精度 在实际的集成电路中二极管一般由基极和集电极短接的双极型晶体管替代 双极型晶体管集电极电流 与基极发射极电压 关系如下:().()其中/为热电压(为玻尔兹曼常数./)表示反向饱和电流由式()可知表示为:(/)反向饱和电流 与多个因素有关根据文献可知()()()上式按 管进行表示 为元电荷(.)表示发射极横截面面积()为硅本征载流子浓度(室温 时大约为.)()为基区电子扩散系数的平均值表示发射结每单位面积基区内掺杂原子个数 本征载流子浓度与温度的关系及电子扩散系数公式由文献给出()(/)()()()()为基区中的电子即少数载流子迁移率平均值、及 都是与温度无关的常数表示温度为 时的硅带隙电压 反向饱和电流可表示为:()(/).()其中 为与温度无关常数假设集电极电流 与温度的关系为:().()当集电极电流与温度无关时 取 当与 成正比时 为常数 把公式()、()带入公式()得:()(/)()().()为得到常数()的值取温度为参考点温度公式()可计算得到常数项:()()().()把公式()带回公式()得到晶体管的基极发射极电压:()()()().()上式即是 晶体管基极发射极电压的温度特性函数第一项为常数项第二项具有线性负温度系数第三项具有非线性负温度系数其中()取值范围.带隙基准电压源是在 的基础上叠加正温度系数电压来消除 随温度变化产生的波动 仅对线性项进行抵消为一阶曲率补偿若需更高精度的基准电压应当对非线性项进行补偿即高阶曲率补偿 高阶曲率补偿方法.电路图 为产生 电流原理图由运放、核心电路和启动电路组成 和 为 型晶体管的横截面积为 的 倍 管、和 组成启动电路 管、和 组成运算放大器与 管构成负反馈来维持正负输入端即 点和 点电压的稳定图 中运放的正负输入端电压接近相等所以根据公式()电阻 的电流 该电流与绝对温度成正比即 电流最终通过镜像管 输出 当 管的栅极电压大于 时核心电路将无法启动此时 管可以导通会把 管栅极电压拉低使核心电路进入正常工作状态 管有电流流过后会使 管导通拉低 管的栅极电压使得 管截止实现与核心电路的隔离完成启动图 电流电路.传统带隙基准源传统的带隙基准源实现了温度的一阶曲率补山 西 电 子 技 术 年第 期 年第 期程 亮:带隙基准源高阶曲率补偿方法研究偿 图 是传统带隙基准电压源原理图、为电流镜流过各自的电流相等电阻 和 相等 管 面积为 管的 倍 运算放大器的正负输入端电位近似相等所以电阻 电流 该电流与温度 成正比为 电流 流过电阻 的电流该电流随温度 的增加而减小为负温度系数电流 之和通过 镜像通过电阻 转换成电压 上式中的第二项与 中温度线性项进行抵消来实现一阶曲率补偿图 传统带隙基准电压源.高阶补偿电路进一步减弱基准电压的温度效应需对公式()中的 项进行抵消即高阶曲率补偿 本文设计了一种新颖的补偿电路可实现对 项的完全抵消 图 为高阶曲率补偿电路图 高阶曲率补偿电路图 中 和 为电流镜从图 的 电路中镜像生成与绝对温度成正比的电流 从图 的传统带隙基准源电路中镜像生成一阶曲率补偿的基准电流 的 电流通过 晶体管 该晶体管的基极发射极电压加在电阻 上生成一个负温度系数电流 一阶补偿的基准电流通过 管在电阻 上生成另一个负温度系数电流 管 的电流为镜像电流 根据基尔霍夫电流定律可知流过电阻 的电流为 电阻 上叠加经 镜像的正温度系数电流 输出端得到的基准电压为:().()因 集电极电流为 特性所以用公式()表示的 公式中 管集电极电流与温度无关所以 公式中 把式()中的 和 用公式()替换得到:()()()()()().()讨论要得到上述公式在电路中需满足 管和 管的横截面相同镜像电流 和 在参考点温度 时大小需尽量一致可根据公式()得到()()实现基准电压的高阶曲率补偿需使上式中的非线性项等于 即 最终两电阻需满足关系:同时也要确保温度的线性项相互抵消即()()可通过调整电阻 和 的大小来实现 因此基准电压为:()().()本文提出的这种新颖的高阶曲率补偿电路可实现基准电压中温度非线性效应的完全消除 参考文献中采用一个与绝对温度的平方成比例的电压()来抵消 中与 相关的非线性项参考文献中生成的非线性项也无法与晶体管电压中的高阶分量完全抵消 参考文献根据 晶体管的正向偏置电流增益与温度成指数关系这一性质(/)来抵消晶体管电压中的非线性分量 参考文献采用分段补偿技术低温段进行线性补偿高温段采用高阶曲率补偿 文献中介绍的方法都不能实现 晶体管电压中非线性分量的完全抵消本文提出的电路结构优于文献中介绍的方法参考文献 .:.():.():.():.:.():.(上接第 页)表 不加密模式接收时间 客户端发送 服务器接收计算接收时间/:.:!:.:.:.:!:.:.:.:!:.:.:.:!:.:.:.:!:.:.:计算平均接收时间().)加密模式发送 个同样的数据包表 加密模式接收时间 客户端发送 服务器接收计算接收时间/:.:!:.:.:.:!:.:.:.:!:.:.:.:!:.:.:.:!:.:.:计算平均接收时间().)工业网络终端通信加密时间即两种情况发送的时间差:.结果满足时间 的指标 结论系统实现异常流量及安全监控功能在安全终端设计异常数据包处理功能服务端设计异常流量报警功能 本系统针对工控网络进行安全防护具有网络通信加密、网络通信终端设备身份认证、网络信息加密、网络流量异常监控等功能且满足各项性能指标适用于各类工控网络环境参考文献 周友龙杨军武筠.工业控制网络的安全防护策略分析.软件():.宋利民宋晓锐.一种基于混合加密的数据安全传输方案的设计与实现.信息网络安全():.马俊明边杏宾刘佳等.一种基于标识密码的 工 业 网 络 安 全 通 信 系 统:中 国.郭庆宁玲玲.基于网络流量异常监测的工业控制系统安全技术研究.现代工业经济和信息化():.边杏宾马俊明胡志勇等.在泛在物联网中的应用研究.信息技术与网络安全():.马俊明.一种基于 的零信任安全解决方案.信息安全与通信保密():.方源鲍克赵一凡等.基于流量的工业控制系统入侵检测技术.物联网技术():.徐友洪李剑萍吴宏良.基于网络流量异常监测的工业控制系统安全技术研究.软件工程与应用():.山 西 电 子 技 术 年第 期