模擬電路里廣泛包含基準(zhǔn)源,，且在許多系統(tǒng)電路里都是關(guān)鍵部件，它的電氣特性將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的電氣特性,。在電路設(shè)計(jì)中,，往往需要一些輸出電流大、溫度" title="溫度">溫度穩(wěn)定性" title="穩(wěn)定性">穩(wěn)定性好,、精度高的恒流源,。具有這些特性的恒流源，往往對(duì)電路中電阻的精度要求和溫度系數(shù)的要求很高,，這對(duì)一次集成技術(shù)來說是一個(gè)難題,。而采用混合集成薄膜工藝生產(chǎn)的電阻能很好地達(dá)到電路系統(tǒng)的要求，使用混合集成工藝技術(shù)對(duì)擴(kuò)流效果也有很好的幫助,。本文就是采用混合集成技術(shù),，設(shè)計(jì)一款具有高溫度穩(wěn)定性和高精度" title="高精度">高精度的恒流源。
1工作原理
恒流源是由電壓基準(zhǔn),、比較放大,、控制調(diào)整和采樣等部分組成的直流負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。恒流源的設(shè)計(jì)方法有多種,，常用的串聯(lián)調(diào)整型恒流電源原理框圖如圖1所示,。
主要包括調(diào)整管、采樣電阻,、基準(zhǔn)電壓,、誤差放大器和輔助電源等環(huán)節(jié)。通過采樣電阻將輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓,，然后與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,，比較放大后的信號(hào)推動(dòng)調(diào)整管對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整，最后達(dá)到輸出電流恒定,。
2 電路設(shè)計(jì)
2.1 電壓-電流轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)
電壓-電流轉(zhuǎn)換是恒流源的核心,。最基本的恒流源電路如圖2所示。
圖2中工作電源電壓作為電壓輸入信號(hào),，運(yùn)放擔(dān)任比較放大的作用,，Q1控制調(diào)整輸出電流Io。Vref為基準(zhǔn)電壓,，它可以是任何一種電壓參考源,，R0為采樣電阻；Vref耐為基準(zhǔn)電壓,；Vr為運(yùn)放反相端電壓,；Vo為運(yùn)放輸出電壓,。根據(jù)運(yùn)放的基本原理，有：
上式表明：輸出電流由基準(zhǔn)電壓Eg和采樣電阻Rs決定,。
當(dāng)輸出電流Io有任何的波動(dòng)時(shí),，Vr=VCC-IoRS就會(huì)有相應(yīng)的變化，△V=Vr-Vref經(jīng)過運(yùn)放調(diào)整三極管的輸出電流并使之恒定,。
由此可知,，要想獲得一個(gè)穩(wěn)定的輸出電流Io，必須要提供一個(gè)高精度的基準(zhǔn)電壓和高精度采樣電阻,。又由于運(yùn)放在調(diào)整控制過程中的作用,，運(yùn)放的增益直接影響輸出電流的精度，高增益和低漂移的運(yùn)放是必要的選擇,。
存在的問題：由于采樣電阻與負(fù)載串連,，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會(huì)隨之上升,，導(dǎo)致元器件溫度上升，恒流源的溫度穩(wěn)定性變壞,。其次,，恒流電源的輸出電流全部流過調(diào)整管，因此調(diào)整管上的功耗也很大,，必須選擇大功率的晶體管,，然而大功率晶體管需要較大的基極驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)運(yùn)放有較高驅(qū)動(dòng)能力的要求,。再次,，雙極型三極管的漏電流和電流放大系數(shù)對(duì)溫度比較敏感，溫度穩(wěn)定性較差,。還有,，電壓-電流變換器使用的負(fù)反饋閉環(huán)控制，電流穩(wěn)定度與放大器放大倍數(shù)有直接關(guān)系,，在大功率電源里基本上是倒數(shù)關(guān)系,。例如，若要求電流源的穩(wěn)定度要達(dá)到小于10-4,，則放大器的放大倍數(shù)要大于一萬倍,。運(yùn)方的溫度漂移和失調(diào)對(duì)電路的精度和溫度穩(wěn)定性有很大的影響。
要解決上述問題,，需要對(duì)電路的控制調(diào)整部分進(jìn)行改進(jìn),。改進(jìn)后的電路如圖3所示：
用PMOS-PNP復(fù)合管來代替原來的PNP管。小信號(hào)等效模型如圖4所示：
小信號(hào)等效分析表明：復(fù)合管等效為PMOS管,，它的跨導(dǎo)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,，能給三極管提供較大的基極電流,。滿足了運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)壓力要求，使運(yùn)放不需要過大的驅(qū)動(dòng)能力,，電路就能正常工作,。PMOS管具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲低的特點(diǎn),，彌補(bǔ)三極管的不足,，有助于提高恒流源的溫度穩(wěn)定性。
選用的運(yùn)放應(yīng)該有較高的增益,，較低的輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流,，以及低溫漂和低噪聲電壓。在實(shí)際的版圖設(shè)計(jì)時(shí),，減小局部區(qū)域功率密度,，對(duì)整體溫度系數(shù)的降低也能起到很好的作用。2.2 電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)
基準(zhǔn)源類型較多,，常見的有齊納二極管,、隱埋齊納二極管和帶隙基準(zhǔn)源。3種基準(zhǔn)源的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示,。根據(jù)恒流源電路的要求和特點(diǎn),，這里選擇使用隱埋齊納二極管組成電壓基準(zhǔn)電路。為了進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓高穩(wěn)定性,，采用如圖5所示的電路結(jié)構(gòu),。
如圖5所示，流過隱埋齊納二極管的電流：
電阻R1,，R2和R3是采用同一種工藝在同一個(gè)基片上制作的,，具有相同的溫度系數(shù)等性能參數(shù)，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管工作在穩(wěn)定的狀態(tài),、輸出穩(wěn)定的電壓。當(dāng)輸出電壓VZ出現(xiàn)任何波動(dòng)時(shí),，這種變化經(jīng)過誤差放大器放大后控制調(diào)整復(fù)合管的電流,，進(jìn)而調(diào)整隱埋齊納二極管的電流，使VZ從新回到先前的穩(wěn)定狀態(tài),。
2.3溫度補(bǔ)償及采樣電阻的設(shè)計(jì)
在先前的電路設(shè)計(jì)中,，采取了提高溫度穩(wěn)定性的一些措施,。隨著使用環(huán)境的變化，對(duì)溫度穩(wěn)定性的要求越來越高,，為了進(jìn)一步提高電路的溫度穩(wěn)定性,，目前普遍采用的是恒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(dòng)(恒溫)時(shí)間過長、襯底溫度不均勻使溫度系數(shù)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(duì)恒流源輸出電流溫度系數(shù)影響最大韻是基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)和采樣電阻的溫度系數(shù)。對(duì)于電壓基準(zhǔn)源,，盡管采取了措施提高溫度穩(wěn)定性,，但對(duì)于對(duì)溫度系數(shù)要求較高的電路是不夠的。由于采用的是隱埋齊納二極管式的電壓基準(zhǔn),，其出廠時(shí)溫度系數(shù)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(shè)計(jì)時(shí)提高溫度穩(wěn)定性所做的努力。解決的方法是選用采樣電阻作為溫度補(bǔ)償執(zhí)行器件,、通過特殊的設(shè)計(jì)和制作、使采樣電阻具有和電源基準(zhǔn)大小方向合適的溫度系數(shù),。彌補(bǔ)電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)對(duì)恒流源溫度系數(shù)的影響,，同時(shí)亦可彌補(bǔ)其他元器件溫度系數(shù)的影響。
采樣電阻的設(shè)計(jì)：在采樣電阻的設(shè)計(jì)中采用使用先進(jìn)工藝制作的薄膜電阻,。薄膜電阻具有較小的方阻,，在同一塊電路中設(shè)計(jì)2種正負(fù)溫度系數(shù)不同的電阻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電壓基準(zhǔn)溫度系數(shù)的特征,，串接一部分正溫度系數(shù)電阻和一部分負(fù)溫度系數(shù)電阻的組成采樣電阻,，使其整體呈現(xiàn)的溫度系數(shù)與電壓基準(zhǔn)溫度系數(shù)互補(bǔ)，這樣就可以補(bǔ)償前級(jí)溫度系數(shù)的偏差,，降低整個(gè)系統(tǒng)的溫度系數(shù),，調(diào)整一個(gè)合適的補(bǔ)償點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“0”溫度系數(shù),。這樣,，在沒有增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的情況下，實(shí)現(xiàn)了提高溫度穩(wěn)定性的目標(biāo),。試驗(yàn)證明這個(gè)方法在實(shí)際生產(chǎn)中是便捷的,、高效的,。另外，根據(jù)采樣電阻的特殊設(shè)計(jì),，選用采樣電阻的不同連接方式,，可以在一定的范圍內(nèi)選擇恒流源輸出電流的大小。
3測試分析
經(jīng)過在生產(chǎn)線上投片,，對(duì)4個(gè)批次的電路跟蹤測試,。在25～85℃的溫度范圍內(nèi)，76％的電路溫度系數(shù)控制在5 PPM以內(nèi),，在輸出恒流電流為40 mA時(shí)精度控制在±5‰,。經(jīng)過分析，認(rèn)為影響溫度系數(shù)最主要的原因采樣電阻的設(shè)計(jì),，因?yàn)樾枰蓸与娮璧臏囟认禂?shù)補(bǔ)償,，這里希望得到的溫度系數(shù)是精確可控的，而不是越小越好,。這需要電阻制作先進(jìn)工藝的技術(shù)支撐,。
4布線的藝術(shù)
在畫版圖時(shí)的布線也是一個(gè)不可忽視的環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)中選用的一些發(fā)熱量大的器件,，如大功率晶體管,，讓這些器件遠(yuǎn)離電壓基準(zhǔn)和采樣電阻等敏感元件。由于采用采樣電阻的溫度系數(shù)來補(bǔ)償基準(zhǔn)電源的溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)零溫度系數(shù)的,。那么連接采樣電阻的導(dǎo)帶電阻就必須要盡量小,。因?yàn)閷?dǎo)帶的溫度系數(shù)與電阻的溫度系數(shù)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，不利于溫度系數(shù)的控制,?？梢圆捎眉訉挕⒃龊竦姆绞皆O(shè)計(jì)導(dǎo)帶,，以減小導(dǎo)帶電阻,。
5結(jié)語
本文設(shè)計(jì)一種溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)了高精度低溫漂精密恒流源電路的設(shè)計(jì)，通過在生產(chǎn)線上的實(shí)際流片測試證明,，這種方法是可行的,，具有較好的使用價(jià)值和應(yīng)用前景。