摘 要：研究一種應(yīng)用混合集成電路技術(shù)實現(xiàn)的新型高精度和高溫度穩(wěn)定性的恒流源，以適應(yīng)當(dāng)前系統(tǒng)對恒流源高精度、高溫度穩(wěn)定性和較大電流的需求。在詳細分析電路結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，討論如何提高電路的精度和溫度穩(wěn)定性，并給出具體的解決方案，對關(guān)鍵部分給出了設(shè)計電路圖，最后對采樣電阻的設(shè)計和布線藝術(shù)給出了合理的方案。投片測試分析表明：該設(shè)計安全可靠，達到高溫度穩(wěn)定性和高精度設(shè)計目標。該電路具有較小的體積和較好的性能，滿足型號系統(tǒng)的要求。靈活的設(shè)計方式使其具有較好的使用價值和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：恒流源;電壓基準;采樣電阻;溫度穩(wěn)定性;誤差放大器;溫度補償

Research of a New ype of Constant Current ource with igh[CD2]precision

[JZ]and igh emperature tability

JIANG ongyu

(Xi′an Institute of Microelectronics echnology，Xi′an，71004，China)

Abstract：Using the hybrid integrated circuit technology，a new type of constant current source with high[CD2]precision temperature stability to accommodate current constant current source of high accuracy，high temperature stability and larger current demand is studiedIn a detailed analysis of the structure and working principle circuit on the basis of circuit discussed how to improve the accuracy and temperature stability，and specific solutions are given on the key part of the design schematics，sampling resistor on the final design and layout art is a reasonable optionVote[CD2]test analysis show that:the design is safe，reliable，high temperature stability and achieve high[CD2]precision design goalshe circuit has a smaller size and better performance to meet the requirements of the model systemFlexible design has better ways to use and application prospects

Keywords：constant current source;voltage reference;sampling resistance;temperature stability;error amplifier;temperature compensation

模擬電路里廣泛包含基準源，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系統(tǒng)的電氣特性。在電路設(shè)計中，往往需要一些輸出電流大、溫度穩(wěn)定性好、精度高的恒流源。具有這些特性的恒流源，往往對電路中電阻的精度要求和溫度系數(shù)的要求很高，這對一次集成技術(shù)來說是一個難題。而采用混合集成薄膜工藝生產(chǎn)的電阻能很好地達到電路系統(tǒng)的要求，使用混合集成工藝技術(shù)對擴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)計一款具有高溫度穩(wěn)定性和高精度的恒流源。

1 工作原理

恒流源是由電壓基準、比較放大、控制調(diào)整和采樣等部分組成的直流負反饋自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。恒流源的設(shè)計方法有多種，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，然后與基準電壓進行比較，比較放大后的信號推動調(diào)整管對輸出電流進行調(diào)整，最后達到輸出電流恒定。

2 電路設(shè)計

電壓[CD2]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。

存在的問題：由于采樣電阻與負載串連，流過的電流通常比較大，因此局部溫度也會隨之上升，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)動電流，對運放有較高驅(qū)動能力的要求。再次，雙極型三極管的漏電流和電流放大系數(shù)對溫度比較敏感，溫度穩(wěn)定性較差。還有，電壓[CD2]電流變換器使用的負反饋閉環(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)定度要達到小于10－4，則放大器的放大倍數(shù)要大于一萬倍。運方的溫度漂移和失調(diào)對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，需要對電路的控制調(diào)整部分進行改進。改進后的電路如圖3所示：

用PMO[CD2]PNP復(fù)合管來代替原來的PNP管。小信號等效模型如圖4所示：

極電流，能給三極管提供較大的基極電流，滿足了運放的驅(qū)動壓力要求，使運放不需要過大的驅(qū)動能力，電路就能正常工作。PMO管具有溫度穩(wěn)定性好、噪聲低的特點，彌補三極管的不足，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。在實際的版圖設(shè)計時，減小局部區(qū)域功率密度，對整體溫度系數(shù)的降低也能起到很好的作用。

[B3]22 電壓基準設(shè)計

基準源類型較多，常見的有齊納二極管、隱埋齊納二極管和帶隙基準源。3種基準源的優(yōu)缺點如表1所示。根據(jù)恒流源電路的要求和特點，這里選擇使用隱埋齊納二極管組成電壓基準電路。為了進一步提高基準電壓高穩(wěn)定性，采用如圖所示的電路結(jié)構(gòu)。

如圖所示，流過隱埋齊納二極管的電流:

類型[J0]齊納二極管(兩端器件)隱埋齊納二極管(串聯(lián))帶隙電壓基準 (串聯(lián))

優(yōu)點輸入電壓范圍寬精度優(yōu)于1%輸入電壓范圍寬、精度從001%~01%、具有溫度補償，溫度穩(wěn)定性較好

輸入電壓范圍小、靜態(tài)電流小，μA 至1 mA左右、不需要外接電阻、精度從00%~1、壓差小、溫度穩(wěn)定性較好

缺點 靜態(tài)電流較大(1~10 mA)，適合對功耗要求不嚴的應(yīng)用、需要外接電阻、精度低、電流只能流入壓差大溫度穩(wěn)定性較差比帶隙電壓基準源的靜態(tài)電流大 (1~10 mA)， 輸入電壓范圍小、存在調(diào)整損耗、

潛在問題長期穩(wěn)定性部分器件不能吸入電流部分器件不能吸入電流

價格底適中較高

應(yīng)用適合對功耗要求不嚴的應(yīng)用適合對功耗要求不嚴的應(yīng)用適合要求功耗小的應(yīng)用[]

[B3]23 溫度補償及采樣電阻的設(shè)計

在先前的電路設(shè)計中，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，對溫度穩(wěn)定性的要求越來越高，為了進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（恒溫）時間過長、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。

數(shù)和采樣電阻的溫度系數(shù)。對于電壓基準源，盡管采取了措施提高溫度穩(wěn)定性，但對于對溫度系數(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，其出廠時溫度系數(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)計時提高溫度穩(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償執(zhí)行器件、通過特殊的設(shè)計和制作、使采樣電阻具有和電源基準大小方向合適的溫度系數(shù)。彌補電壓基準的溫度系數(shù)對恒流源溫度系數(shù)的影響，同時亦可彌補其他元器件溫度系數(shù)的影響。

采樣電阻的設(shè)計：在采樣電阻的設(shè)計中采用使用先進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2種正負溫度系數(shù)不同的電阻網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)電壓基準溫度系數(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)與電壓基準溫度系數(shù)互補，這樣就可以補償前級溫度系數(shù)的偏差，降低整個系統(tǒng)的溫度系數(shù)，調(diào)整一個合適的補償點，實現(xiàn)“0”溫度系數(shù)。這樣，在沒有增加系統(tǒng)負擔(dān)的情況下，實現(xiàn)了提高溫度穩(wěn)定性的目標。試驗證明這個方法在實際生產(chǎn)中是便捷的、高效的。

另外，根據(jù)采樣電阻的特殊設(shè)計，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4個批次的電路跟蹤測試。在2～8 ℃的溫度范圍內(nèi)，76％的電路溫度系數(shù)控制在 PPM以內(nèi)，在輸出恒流電流為40 mA時精度控制在±‰。經(jīng)過分析，認為影響溫度系數(shù)最主要的原因采樣電阻的設(shè)計，因為需要采樣電阻的溫度系數(shù)補償，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工藝的技術(shù)支撐。

4 布線的藝術(shù)

在畫版圖時的布線也是一個不可忽視的環(huán)節(jié)。在設(shè)計中選用的一些發(fā)熱量大的器件，如大功率晶體管，讓這些器件遠離電壓基準和采樣電阻等敏感元件。由于采用采樣電阻的溫度系數(shù)來補償基準電源的溫度系數(shù)實現(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。因為導(dǎo)帶的溫度系數(shù)與電阻的溫度系數(shù)相差幾個數(shù)量級，不利于溫度系數(shù)的控制?？梢圆捎眉訉?、增厚的方式設(shè)計導(dǎo)帶，以減小導(dǎo)帶電阻。

結(jié) 語

本文設(shè)計一種溫度補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)了高精度低溫漂精密恒流源電路的設(shè)計，通過在生產(chǎn)線上的實際流片測試證明，這種方法是可行的，具有較好的使用價值和應(yīng)用前景。

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