一種高精度高溫度穩(wěn)定性恒流源的研究

　　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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)長(zhǎng)、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(wú)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(guò)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(cè)試分析

　　經(jīng)過(guò)在生產(chǎn)線上投片，對(duì)4個(gè)批次的電路跟蹤測(cè)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(guò)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(lái)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。可以采用加寬、增厚的方式設(shè)計(jì)導(dǎo)帶，以減小導(dǎo)帶電阻。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　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(guò)在生產(chǎn)線上的實(shí)際流片測(cè)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。