《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種發(fā)動機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路
一種發(fā)動機(jī)高溫差環(huán)境下的基準(zhǔn)電壓源電路
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第15期
高云華
(江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程技術(shù)系,,江蘇 南京 210007)
摘要: 根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)控制芯片的工作環(huán)境,,針對常見的溫度失效問題,提出了一種應(yīng)用在發(fā)動機(jī)控制芯片中的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。該電路采用0.18 μm CMOS工藝,,采用電流型帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu),,具有適應(yīng)低電源電壓,、電源抑制比高的特點(diǎn),。同時(shí)還提出一種使用不同溫度系數(shù)的電阻進(jìn)行高階補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)了較寬溫度范圍內(nèi)的低溫度系數(shù),。仿真結(jié)果表明,,該帶隙基準(zhǔn)電路在-50℃~+125℃的溫度范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)平均輸出電壓誤差僅5.2 ppm/℃,,可用于要求極端嚴(yán)格的發(fā)動機(jī)溫度環(huán)境,。該電路電源共模抑制比最大為99 dB,可以有效緩解由發(fā)動機(jī)在不同工況下產(chǎn)生的電源紋波對輸出參考電壓的影響,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 根據(jù)汽車發(fā)動機(jī)控制芯片的工作環(huán)境,,針對常見的溫度失效問題,,提出了一種應(yīng)用在發(fā)動機(jī)控制芯片中的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。該電路采用0.18 μm CMOS工藝,,采用電流型帶隙基準(zhǔn)電壓源結(jié)構(gòu),,具有適應(yīng)低電源電壓、電源抑制比高的特點(diǎn),。同時(shí)還提出一種使用不同溫度系數(shù)的電阻進(jìn)行高階補(bǔ)償?shù)姆椒?,?shí)現(xiàn)了較寬溫度范圍內(nèi)的低溫度系數(shù)。仿真結(jié)果表明,,該帶隙基準(zhǔn)電路在-50℃~+125℃的溫度范圍內(nèi),,實(shí)現(xiàn)平均輸出電壓誤差僅5.2 ppm/℃,可用于要求極端嚴(yán)格的發(fā)動機(jī)溫度環(huán)境,。該電路電源共模抑制比最大為99 dB,,可以有效緩解由發(fā)動機(jī)在不同工況下產(chǎn)生的電源紋波對輸出參考電壓的影響。
關(guān)鍵詞: 汽車電子,;電路失效帶隙基準(zhǔn)源,;電源共模抑制比,;電壓紋波

 發(fā)動機(jī)控制芯片在汽車中得到了廣泛的應(yīng)用,是汽車電子的核心部分之一,。發(fā)動機(jī)控制芯片結(jié)合了大量的傳感器接口電路,、ADC、控制器等模擬與數(shù)字電路模塊,。對于模擬電路,,過低和過高的溫度,都可能會導(dǎo)致芯片失效,。極限溫度導(dǎo)致電路失效的原因通常有:電路的偏置電流隨溫度變化過大,,使得電路偏離了正常工作狀態(tài);電路輸出節(jié)點(diǎn)的共模電壓隨溫度的變化產(chǎn)生了漂移,,導(dǎo)致下一級電路無法正常偏置等問題,。
 在模擬電路設(shè)計(jì)中,帶隙基準(zhǔn)電壓/電流源負(fù)責(zé)給偏置電路提供穩(wěn)定,、不隨溫度變化的偏置參考電流和電壓,,用來給電路提供穩(wěn)定的偏置電流和共模電壓。發(fā)動機(jī)控制芯片通常安裝在發(fā)動機(jī)周圍,,發(fā)動機(jī)艙在長途行車過程中的極限溫度可能會高達(dá)125℃,。而在寒冷地區(qū),冷車狀態(tài)下發(fā)動機(jī)艙溫度可能低至-40℃,。在如此大的溫度跨度下,,要保證發(fā)動機(jī)控制芯片可以正常運(yùn)作,參考電流源與參考電壓源的誤差必須控制在很小的范圍之內(nèi),這對帶隙基準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,。該基準(zhǔn)電路必須在-40℃~125℃的范圍內(nèi)提供恒定的輸出電壓/電流信號,。因此,應(yīng)該具有更低的溫度系數(shù)和更寬的工作溫度范圍,。此外,,由于發(fā)動機(jī)的工況經(jīng)常因行駛情況而改變,同時(shí)由于發(fā)動機(jī)艙內(nèi)各種電氣開關(guān)帶來的電壓波動,,給發(fā)動機(jī)控制芯片供電的電源電壓通常會經(jīng)歷嚴(yán)重的紋波干擾,。這要求芯片中的帶隙基準(zhǔn)源應(yīng)具備較強(qiáng)的電源抑制比。本文正是從以上兩點(diǎn)出發(fā),,提出了一種針對汽車控制芯片的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路,,用于降低由極限溫度引發(fā)的芯片失效風(fēng)險(xiǎn)。
1 帶隙基準(zhǔn)電壓源電路設(shè)計(jì)與分析
 帶隙基準(zhǔn)的核心原理是產(chǎn)生一個(gè)具有一階正溫度系數(shù)的電壓/電流量,,與一個(gè)具有一階負(fù)溫度系數(shù)的電壓/電流量以一定的系數(shù)相加,,以達(dá)到抵消溫度系數(shù)的效果。一個(gè)雙極晶體管的基極與發(fā)射極電壓Vbe就可以看成是一個(gè)常用的負(fù)溫度系數(shù)源,。將一個(gè)三極管連接成二極管形式,,對Vbe求偏導(dǎo),可以得到以下結(jié)論:

 本文提出一種基于不同溫度系數(shù)電阻的二階溫度補(bǔ)償方法,,其電路原理圖如圖6所示,。在圖2所示的一階電路的基礎(chǔ)上增加3個(gè)多晶硅電阻(R6~R8),該電阻與一階電路中的擴(kuò)散電阻具有不同的溫度系數(shù),。仿真結(jié)果表明,,使用該方法可以實(shí)現(xiàn)175℃溫度范圍內(nèi)0.25 mV的輸出電壓誤差。

 由三極管Q1~Q2,,電阻R1~R8,、晶體管M1~M3、誤差放大器A1組成一階帶隙基準(zhǔn)電壓源核心電路,。Q3,、M6~M8用來產(chǎn)生與溫度呈正比例關(guān)系變化的電流IPTAT,提供給發(fā)動機(jī)控制芯片中的溫度傳感器模塊,。R1,、R3和R4為擴(kuò)散電阻,具有正溫度系數(shù),。R6~R8為多晶硅電阻,,具有負(fù)溫度系數(shù),在電路中起到高階溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。M5,、M10,、R5、Q3組成啟動電路,,在芯片上電時(shí),,M5導(dǎo)通,當(dāng)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)后,,M5自動被切斷,。

 




 式(5)中的前兩項(xiàng)與式(3)相同,第三項(xiàng)為高階補(bǔ)償項(xiàng),。由于R6與R2具有不同溫度系數(shù),,故R6/R2至少是溫度的一階函數(shù),由于VT本身是溫度的一階函數(shù),,故第三項(xiàng)至少是溫度的二階函數(shù),。通過合理地選擇R6值,可以較大程度上抵消Vbe的高階溫度系數(shù),。
 經(jīng)過本文方法補(bǔ)償后的輸出電壓隨溫度變化曲線如圖7所示,。從圖中可以看出,從-50℃變化到125℃的過程中,,輸出電壓最大只變化了0.25 mV,,達(dá)到了顯著的補(bǔ)償效果。此外,,由于采用了電流型帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu),R1,、R3與雙極性器件所在支路并聯(lián),,降低了所在支路的等效電阻,從而減弱了電源電壓波動對該節(jié)點(diǎn)電壓的影響,,提高了電源抑制比,。圖8所示為誤差放大器A1的原理圖,該誤差放大器使用折疊共源放大結(jié)構(gòu),。輸入跨導(dǎo)級為雙極型NPN管,,可以降低放大器失調(diào)與噪聲帶來的影響。此外,,還需要注意的是,,在有誤差放大器的基準(zhǔn)電路中,正反饋環(huán)路與負(fù)反饋環(huán)路是同時(shí)存在的,,如圖6所示,,M2、R2,、Q2所在支路是負(fù)反饋,,而M1,、Q1所在支路則是正反饋。為了保證電路穩(wěn)定性,,需要使該系統(tǒng)總體上表現(xiàn)為負(fù)反饋,,因此負(fù)反饋系數(shù)應(yīng)該大于正反饋系數(shù)。在本設(shè)計(jì)中,,R2與Q2的導(dǎo)通電阻1/gm2的和大于Q1的導(dǎo)通電阻1/gm1,,使電路的穩(wěn)定性得到了保證。
 

 本文提出一種基于使用SMIC 0.18 μm MIXIC工藝,,應(yīng)用于發(fā)動機(jī)控制芯片的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路,,該電路在一階電流型帶隙基準(zhǔn)源基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,使用不同溫度系數(shù)的電阻進(jìn)行了簡單有效的二階溫度系數(shù)補(bǔ)償,。該基準(zhǔn)電壓源在-50℃~125℃溫度范圍內(nèi),,輸出參考電壓誤差小于0.25 mV,低頻時(shí)電源抑制比可以達(dá)到99 dB,。該基準(zhǔn)電路具有良好的溫度穩(wěn)定性與抗電源干擾能力,,其在發(fā)動機(jī)控制芯片中有很好的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] JOHNS D,, MARTIN K. Analog integrated circuit design[M]. Wiley,,1997.
[2] BANBA H, SHIGA H,, UMEZAWA A,, et al. A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-V operation[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1999,,34:670-674.
[3] LEUNG K N,, MOK P K T. A sub-1-V 15-ppm/℃ CMOS bandgap voltage reference without requiring low threshold voltage device[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2002,,37:526-530.
[4] Xing Xinpeng,, Li Dongmei, Wang Zhihua. A novel CMOS current mode bandgap reference[J]. Journal of Semiconductors,, 2008,, 29(7): 1249-1253.
[5] 盛慶華,張亞君,,王紅義. 一種線性補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電路[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),,2007,24(1):167-172.
 

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。