一种高精度高温度稳定性恒流源的研究

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的温度系数实现系统零温度系数的。那么连接采样电阻的导带电阻就必须要尽量小。因为导带的温度系数与电阻的温度系数相差几个数量级，不利于温度系数的控制。可以采用加宽、增厚的方式设计导带，以减小导带电阻。

　　5结语

　　本文设计一种温度补偿的方法实现了高精度低温漂精密恒流源电路的设计，通过在生产线上的实际流片测试证明，这种方法是可行的，具有较好的使用价值和应用前景。