基于温度补偿的高温度高精度稳定性恒流源

在模拟电路中通常包含基准源，基准源在许多系统电路里都是关键部件，其电气特性可以直接影响到整个系统的电气特性。在电路设计中，工程师们通常都需要一些温度稳定性好、输出电流大、精度高的恒流源。这些特性的恒流源，往往对电路中电阻的精度要求和温度系数的要求很高，这对一次集成技术来说是一个难题。而采用混合集成薄膜工艺生产的电阻能很好地达到电路系统的要求，使用混合集成工艺技术对扩流效果也有很好的帮助。本文就是采用混合集成技术，设计了一款具有高温度稳定性和高精度的恒流源。　　

1 工作原理

恒流源是由电压基准、比较放大、控制调整和采样等部分组成的直流负反馈自动调节系统。恒流源的设计方法有多种，常用的串联调整型恒流电源原理框图如图1所示。

主要包括调整管、采样电阻、基准电压、误差放大器和辅助电源等环节。通过采样电阻将输出电流转换成电压，然后与基准电压进行比较，比较放大后的信号推动调整管对输出电流进行调整，最后达到输出电流恒定。　　

2 电路设计　　

2.1 电压-电流转换设计　　

电压-电流转换是恒流源的核心。最基本的恒流源电路如图2所示。　　

图2中工作电源电压作为电压输入信号，运放担任比较放大的作用，Q1控制调整输出电流Io。Vref为基准电压，它可以是任何一种电压参考源，R0为采样电阻；Vref耐为基准电压；Vr为运放反相端电压；Vo为运放输出电压。根据运放的基本原理，有：

上式表明：输出电流由基准电压Eg和采样电阻Rs决定。　　

当输出电流Io有任何的波动时，Vr=VCC-IoRS就会有相应的变化，△V=Vr-Vref经过运放调整三极管的输出电流并使之恒定。　　

由此可知，要想获得一个稳定的输出电流Io，必须要提供一个高精度的基准电压和高精度采样电阻。又由于运放在调整控制过程中的作用，运放的增益直接影响输出电流的精度，高增益和低漂移的运放是必要的选择。　　

存在的问题：由于采样电阻与负载串连，流过的电流通常比较大，因此局部温度也会随之上升，导致元器件温度上升，恒流源的温度稳定性变坏。其次，恒流电源的输出电流全部流过调整管，因此调整管上的功耗也很大，必须选择大功率的晶体管，然而大功率晶体管需要较大的基极驱动电流，对运放有较高驱动能力的要求。再次，双极型三极管的漏电流和电流放大系数对温度比较敏感，温度稳定性较差。还有，电压-电流变换器使用的负反馈闭环控制，电流稳定度与放大器放大倍数有直接关系，在大功率电源里基本上是倒数关系。例如，若要求电流源的稳定度要达到小于10-4，则放大器的放大倍数要大于一万倍。运方的温度漂移和失调对电路的精度和温度稳定性有很大的影响。　　

要解决上述问题，需要对电路的控制调整部分进行改进。改进后的电路如图3所示：

用PMOS-PNP复合管来代替原来的PNP管。小信号等效模型如图4所示：

小信号等效分析表明：复合管等效为PMOS管，它的跨导为(β+1)gm／(1+gmhie)，输出电阻为RDS(1+gmhie)／(β+1)，输出电阻与PMOS管近似。PMOS管具有较小的栅极电流和较大的漏极电流，能给三极管提供较大的基极电流。满足了运放的驱动压力要求，使运放不需要过大的驱动能力，电路就能正常工作。PMOS管具有温度稳定性好、噪声低的特点，弥补三极管的不足，有助于提高恒流源的温度稳定性。　　

选用的运放应该有较高的增益，较低的输入失调电压和失调电流，以及低温漂和低噪声电压。在实际的版图设计时，减小局部区域功率密度，对整体温度系数的降低也能起到很好的作用。

2.2 电压基准设计　　

基准源类型较多，常见的有齐纳二极管、隐埋齐纳二极管和带隙基准源。3种基准源的优缺点如表1所示。根据恒流源电路的要求和特点，这里选择使用隐埋齐纳二极管组成电压基准电路。为了进一步提高基准电压高稳定性，采用如图5所示的电路结构。　

如图5所示，流过隐埋齐纳二极管的电流：

电阻R1，R2和R3是采用同一种工艺在同一个基片上制作的，具有相同的温度系数等性能参数，R1／R2不随温度变化。因此，通过选择合适的R1，R2和R3电阻值，就能使隐埋齐纳二极管工作在稳定的状态、输出稳定的电压。当输出电压VZ出现任何波动时，这种变化经过误差放大器放大后控制调整复合管的电流，进而调整隐埋齐纳二极管的电流，使VZ从新回到先前的稳定状态。

2.3温度补偿及采样电阻的设计　　

在先前的电路设计中，采取了提高温度稳定性的一些措施。随着使用环境的变化，对温度稳定性的要求越来越高，为了进一步提高电路的温度稳定性，目前普遍采用的是恒温槽温度控制和局部温度控制。温度控制需要附加的电路和器件，增加了电路的体积和功耗以及成本。启动(恒温)时间过长、衬底温度不均匀使温度系数的降低受到限制，衬底的工作温度较高，影响了器件的寿命和可靠性。这使得需要寻求新的方式满足上述要求。　　

由公式IO=Vrefg／RS可知，对恒流源输出电流温度系数影响最大韵是基准电压的温度系数和采样电阻的温度系数。对于电压基准源，尽管采取了措施提高温度稳定性，但对于对温度系数要求较高的电路是不够的。由于采用的是隐埋齐纳二极管式的电压基准，其出厂时温度系数的大小和方向是使用者无法控制的，这足够消耗掉在电路设计时提高温度稳定性所做的努力。解决的方法是选用采样电阻作为温度补偿执行器件、通过特殊的设计和制作、使采样电阻具有和电源基准大小方向合适的温度系数。弥补电压基准的温度系数对恒流源温度系数的影响，同时亦可弥补其他元器件温度系数的影响。　　

采样电阻的设计：在采样电阻的设计中采用使用先进工艺制作的薄膜电阻。薄膜电阻具有较小的方阻，在同一块电路中设计2种正负温度系数不同的电阻网络，根据电压基准温度系数的特征，串接一部分正温度系数电阻和一部分负温度系数电阻的组成采样电阻，使其整体呈现的温度系数与电压基准温度系数互补，这样就可以补偿前级温度系数的偏差，降低整个系统的温度系数，调整一个合适的补偿点，实现“0”温度系数。这样，在没有增加系统负担的情况下，实现了提高温度稳定性的目标。试验证明这个方法在实际生产中是便捷的、高效的。另外，根据采样电阻的特殊设计，选用采样电阻的不同连接方式，可以在一定的范围内选择恒流源输出电流的大小。　　

3 测试分析　　

经过在生产线上投片，对4个批次的电路跟踪测试。在25～85℃的温度范围内，76％的电路温度系数控制在5 PPM以内，在输出恒流电流为40 mA时精度控制在±5‰。经过分析，认为影响温度系数最主要的原因采样电阻的设计，因为需要采样电阻的温度系数补偿，这里希望得到的温度系数是精确可控的，而不是越小越好。这需要电阻制作先进工艺的技术支撑。　　

4 布线的艺术　

在画版图时的布线也是一个不可忽视的环节。在设计中选用的一些发热量大的器件，如大功率晶体管，让这些器件远离电压基准和采样电阻等敏感元件。由于采用采样电阻的温度系数来补偿基准电源[p]