1 引言
    帶隙基準電壓源廣泛應用于A／D轉(zhuǎn)換器、D／A轉(zhuǎn)換器、集成穩(wěn)壓器以及傳感器接口電路。隨著電路系統(tǒng)的大規(guī)模化和SOC的發(fā)展，系統(tǒng)設計對帶隙基準電壓源的溫度、電壓、工藝穩(wěn)定性、電路板面積要求較高。尤其是汽車電子行業(yè)對芯片的集成度，電源穩(wěn)定性和安全性都提出較高要求。
    在分析傳統(tǒng)基準電壓源和論證曲率補償技術的基礎上，提出了一種適用于汽車ABS輪速傳感器接口的帶隙基準電壓源電路設計方案?？紤]到汽車運行時溫差大、噪聲多、路況壞等環(huán)境因素，未采用結(jié)構復雜的運算放大器，而使用一階曲率補償技術，這樣在很大程度上提高了電壓源的穩(wěn)定性和抗干擾能力，使用成熟的Bipolar工藝可有效降低器件的損壞率。該設計還引入啟動電路，解決了傳統(tǒng)帶隙基準電壓源附加功耗較大等問題。運用了Cadence Spectre工具對電路仿真，結(jié)果表明，該設計完全達到汽車電子要求，具有較高的實用價值。

2 帶隙基準原理
    帶隙基準輸出穩(wěn)定的直流電壓，并且該直流電壓對溫度和電源電壓不敏感。集成電路通常采用溫度系數(shù)相反且與電源電壓無關的標準電壓，這兩個標準電壓通過相互補償實現(xiàn)元件間匹配和溫度跟蹤。
    圖l給出典型二管帶隙基準源電路，該電路利用VN1、VN2管的有效發(fā)射結(jié)面積比和電阻R1、R2的阻值比來獲取接近零溫度系數(shù)的基準源。

    電路中，兩個相同的晶體管VP1和VP2構成的PNP恒流源可作為VN1、VN2晶體管的集電極有源負載，晶體管VN2提供基極一發(fā)射極電壓(UBE)，電阻R1上產(chǎn)生電壓△UBE。由于IE1=IE2，則： 式中：△UBE=Ut1n[(IEl／AE1)/(IE2/AE2)]=Utln(J1/J2)；J為電流密度，J=I／A；AEl和AE2為發(fā)射結(jié)有效面積。
    由于IE1=IE2，J與溫度無關，所以：

   
    理論上，只要合理設置R1、R2、AEl、AE2，其輸出則可達到理想溫度系數(shù)。由于受VPl、VP2集電極電壓的不穩(wěn)定等因素影響，實際輸出與理論值存在偏差，因此，運算放大器被引入基準電源。

3 傳統(tǒng)帶運算放大器的帶隙基準電路
    圖2為帶運算放大器的帶隙基準電路，引入運算放大器可解決電壓不穩(wěn)定問題。由于該電路連接具有負反饋，所以，VQ1、VQ2箝位于同一電位，電源抑制比提高，功耗降低。但其傳統(tǒng)的帶隙基準電路卻具有運算放大器固有失調(diào)等問題，放大運算放大器的輸入失調(diào)電壓，導致輸出電壓產(chǎn)生誤差，嚴重影響帶隙基準電壓源精度；同時，其輸入失調(diào)電壓隨溫度變化，這樣可使輸出電壓的溫度系數(shù)增大。因此，系統(tǒng)設計不采用運算放大器也同樣達到性能更佳。

   
4 基于汽車環(huán)境的帶隙基準電壓源設計
4．1 采用一階曲率補償技術的帶隙基準電壓源設計
    圖3是一種應用于汽車ABS輪速傳感器接口的帶隙基準電壓源電路，該電路設計采用雙極性工藝和一階曲率補償技術，考慮到汽車行駛環(huán)境溫度變化大，車身空間有限以及安全性能等問題，要求電路具有寬泛的溫度范圍，電路面積小，電源抑制比高以及工作性能穩(wěn)定等性能。

    A1、A2、A3分別是NPN晶體管VN1，VN2，VN3的發(fā)射極面積，且AA：A2：A3=1：P：Q(P與Q為常量)，由式(1)可知：

   

   
式中：k為玻耳茲曼常數(shù)，k=1.380x10-23J/K；T為溫度；q為電子電量；q=1.602x10-19C。

    式(7)的前兩項為與絕對溫度(PTAT)成正比的電流，設IPTAT，傳統(tǒng)基準只用該電流補償UBE，而改進后的電路的VN3、R3可生成非線性部分電流INL，即式(7)的最后一項，可有效補償UBE的非線性部分，以達到較好的溫度特性，所以：

式中，n為常數(shù)，與晶體管的制作工藝有關，n=1．5～2．2。
    電路上電后，VN9和VN8構成的BE結(jié)二極管可使NN10的基極箝位于1．4V。VNl0導通，電流由VCC通過VN10灌入VN1、VN2和VN3的基極，這三個晶體管導通，從而降低啟動管功耗?；鶞孰娫措妷汗ぷ骱螅岣遃N10的發(fā)射極電平，VN10關斷。
4．2 布局設計
    由于汽車環(huán)境的特殊性，要求電路板布局嚴格，整體電路采用上海貝嶺2μm 40 V Bipolar工藝。雙極性工藝要比MOS工藝穩(wěn)定得多，通常被擊穿和損壞率較低，抗輻射和干擾能力較強。在布局時，應重點注意噪聲干擾和調(diào)試準確性，帶隙基準電壓源應緊鄰電源和地線，并且地線應與其他模塊地線分開單獨設置，這樣可避免兩條地線產(chǎn)生的紋波疊加。3個小尺寸測試壓焊塊的兩側(cè)連接多個電阻，可通過燒斷其間的金屬絲來測試實際器件的輸出值，這就為器件的準確調(diào)試提供了方便。

5 仿真結(jié)果
    使用Cadence spectre分別仿真電路的溫度掃描和電源變化分析，由于參數(shù)計算結(jié)果與仿真模型存在誤差，仿真時應適當調(diào)節(jié)，保證正常輸出基準電壓。如圖4所示，當溫度從一50℃~150℃變化時，UREF從1．260 3 V變化至1．265 2 V，最大變化量為4．9 mV，溫度系數(shù)為24 ppm/℃，而普通的一階補償?shù)膸痘鶞孰妷涸吹臏囟认禂?shù)大于30 ppm/℃，因此，該改進后的電路性能有較大的改善。
    27℃時，當電源電壓(U)在5~16 V變化，UREF變化范圍為1．264 60～1．264 97 V，變量為0．37 mV，UREF的電源抑制特性曲線如圖5所示。

6 結(jié)語
    在分析傳統(tǒng)帶運算放大器的帶隙基準電壓源的基礎上，應用曲率補償技術設計一種適用于車載電子的帶隙基準電壓源，該電路采用雙極性工藝，結(jié)構簡單新穎，集成度高且可移植性強。通過Cadence Spectre仿真結(jié)果顯示，該電路可在寬泛
的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定輸出，隨溫度變化其變化率只有24 ppm/℃，電源抑制性好．抗干擾能力強，完全符合汽車電子標準。