基於溫度補償的高溫度高精度穩定性恆流源

2021-01-08 電子產品世界

在模擬電路中通常包含基準源，基準源在許多系統電路裡都是關鍵部件，其電氣特性可以直接影響到整個系統的電氣特性。在電路設計中，工程師們通常都需要一些溫度穩定性好、輸出電流大、精度高的恆流源。這些特性的恆流源，往往對電路中電阻的精度要求和溫度係數的要求很高，這對一次集成技術來說是一個難題。而採用混合集成薄膜工藝生產的電阻能很好地達到電路系統的要求，使用混合集成工藝技術對擴流效果也有很好的幫助。本文就是採用混合集成技術，設計了一款具有高溫度穩定性和高精度的恆流源。　　

1 工作原理

恆流源是由電壓基準、比較放大、控制調整和採樣等部分組成的直流負反饋自動調節系統。恆流源的設計方法有多種，常用的串聯調整型恆流電源原理框圖如圖1所示。

主要包括調整管、採樣電阻、基準電壓、誤差放大器和輔助電源等環節。通過採樣電阻將輸出電流轉換成電壓，然後與基準電壓進行比較，比較放大後的信號推動調整管對輸出電流進行調整，最後達到輸出電流恆定。　　


2 電路設計　　

2.1 電壓-電流轉換設計　　

電壓-電流轉換是恆流源的核心。最基本的恆流源電路如圖2所示。　　

圖2中工作電源電壓作為電壓輸入信號，運放擔任比較放大的作用，Q1控制調整輸出電流Io。Vref為基準電壓，它可以是任何一種電壓參考源，R0為採樣電阻；Vref耐為基準電壓；Vr為運放反相端電壓；Vo為運放輸出電壓。根據運放的基本原理，有：

上式表明：輸出電流由基準電壓Eg和採樣電阻Rs決定。　　

當輸出電流Io有任何的波動時，Vr=VCC-IoRS就會有相應的變化，△V=Vr-Vref經過運放調整三極體的輸出電流並使之恆定。　　

由此可知，要想獲得一個穩定的輸出電流Io，必須要提供一個高精度的基準電壓和高精度採樣電阻。又由於運放在調整控制過程中的作用，運放的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運放是必要的選擇。　　

存在的問題：由於採樣電阻與負載串連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會隨之上升，導致元器件溫度上升，恆流源的溫度穩定性變壞。其次，恆流電源的輸出電流全部流過調整管，因此調整管上的功耗也很大，必須選擇大功率的電晶體，然而大功率電晶體需要較大的基極驅動電流，對運放有較高驅動能力的要求。再次，雙極型三極體的漏電流和電流放大係數對溫度比較敏感，溫度穩定性較差。還有，電壓-電流變換器使用的負反饋閉環控制，電流穩定度與放大器放大倍數有直接關係，在大功率電源裡基本上是倒數關係。例如，若要求電流源的穩定度要達到小於10-4，則放大器的放大倍數要大於一萬倍。運方的溫度漂移和失調對電路的精度和溫度穩定性有很大的影響。　　

要解決上述問題，需要對電路的控制調整部分進行改進。改進後的電路如圖3所示：

用PMOS-PNP複合管來代替原來的PNP管。小信號等效模型如圖4所示：

小信號等效分析表明：複合管等效為PMOS管，它的跨導為(β+1)gm／(1+gmhie)，輸出電阻為RDS(1+gmhie)／(β+1)，輸出電阻與PMOS管近似。PMOS管具有較小的柵極電流和較大的漏極電流，能給三極體提供較大的基極電流。滿足了運放的驅動壓力要求，使運放不需要過大的驅動能力，電路就能正常工作。PMOS管具有溫度穩定性好、噪聲低的特點，彌補三極體的不足，有助於提高恆流源的溫度穩定性。　　

選用的運放應該有較高的增益，較低的輸入失調電壓和失調電流，以及低溫漂和低噪聲電壓。在實際的版圖設計時，減小局部區域功率密度，對整體溫度係數的降低也能起到很好的作用。

2.2 電壓基準設計　　

基準源類型較多，常見的有齊納二極體、隱埋齊納二極體和帶隙基準源。3種基準源的優缺點如表1所示。根據恆流源電路的要求和特點，這裡選擇使用隱埋齊納二極體組成電壓基準電路。為了進一步提高基準電壓高穩定性，採用如圖5所示的電路結構。　

如圖5所示，流過隱埋齊納二極體的電流：

電阻R1，R2和R3是採用同一種工藝在同一個基片上製作的，具有相同的溫度係數等性能參數，R1／R2不隨溫度變化。因此，通過選擇合適的R1，R2和R3電阻值，就能使隱埋齊納二極體工作在穩定的狀態、輸出穩定的電壓。當輸出電壓VZ出現任何波動時，這種變化經過誤差放大器放大後控制調整複合管的電流，進而調整隱埋齊納二極體的電流，使VZ從新回到先前的穩定狀態。

2.3溫度補償及採樣電阻的設計　　

在先前的電路設計中，採取了提高溫度穩定性的一些措施。隨著使用環境的變化，對溫度穩定性的要求越來越高，為了進一步提高電路的溫度穩定性，目前普遍採用的是恆溫槽溫度控制和局部溫度控制。溫度控制需要附加的電路和器件，增加了電路的體積和功耗以及成本。啟動(恆溫)時間過長、襯底溫度不均勻使溫度係數的降低受到限制，襯底的工作溫度較高，影響了器件的壽命和可靠性。這使得需要尋求新的方式滿足上述要求。　　

由公式IO=Vrefg／RS可知，對恆流源輸出電流溫度係數影響最大韻是基準電壓的溫度係數和採樣電阻的溫度係數。對於電壓基準源，儘管採取了措施提高溫度穩定性，但對於對溫度係數要求較高的電路是不夠的。由於採用的是隱埋齊納二極體式的電壓基準，其出廠時溫度係數的大小和方向是使用者無法控制的，這足夠消耗掉在電路設計時提高溫度穩定性所做的努力。解決的方法是選用採樣電阻作為溫度補償執行器件、通過特殊的設計和製作、使採樣電阻具有和電源基準大小方向合適的溫度係數。彌補電壓基準的溫度係數對恆流源溫度係數的影響，同時亦可彌補其他元器件溫度係數的影響。　　

採樣電阻的設計：在採樣電阻的設計中採用使用先進工藝製作的薄膜電阻。薄膜電阻具有較小的方阻，在同一塊電路中設計2種正負溫度係數不同的電阻網絡，根據電壓基準溫度係數的特徵，串接一部分正溫度係數電阻和一部分負溫度係數電阻的組成採樣電阻，使其整體呈現的溫度係數與電壓基準溫度係數互補，這樣就可以補償前級溫度係數的偏差，降低整個系統的溫度係數，調整一個合適的補償點，實現「0」溫度係數。這樣，在沒有增加系統負擔的情況下，實現了提高溫度穩定性的目標。試驗證明這個方法在實際生產中是便捷的、高效的。另外，根據採樣電阻的特殊設計，選用採樣電阻的不同連接方式，可以在一定的範圍內選擇恆流源輸出電流的大小。　　

3 測試分析　　

經過在生產線上投片，對4個批次的電路跟蹤測試。在25～85℃的溫度範圍內，76％的電路溫度係數控制在5 PPM以內，在輸出恆流電流為40 mA時精度控制在±5‰。經過分析，認為影響溫度係數最主要的原因採樣電阻的設計，因為需要採樣電阻的溫度係數補償，這裡希望得到的溫度係數是精確可控的，而不是越小越好。這需要電阻製作先進工藝的技術支撐。　　

4 布線的藝術　

在畫版圖時的布線也是一個不可忽視的環節。在設計中選用的一些發熱量大的器件，如大功率電晶體，讓這些器件遠離電壓基準和採樣電阻等敏感元件。由於採用採樣電阻的溫度係數來補償基準電源

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