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。

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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。

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