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单片机带隙电压基准电路

news 来源：原创 2024/9/20 5:44:39

单片机带隙电压基准电路

一、带隙电压基准电路概述

带隙电压基准电路在单片机中占据着至关重要的地位。它能够为各种模拟集成电路提供稳定的参考电压，确保电路的正常运行。例如，在高精度的比较器中，带隙电压基准电路可以提供一个精确的参考电压，使得比较结果更加准确可靠。在 A/D 或 D/A 转换器中，带隙电压基准电路能够为转换过程提供稳定的参考，保证转换精度。在 LDO 稳压器中，带隙电压基准电路可以确保输出电压的稳定性，提高电源的质量。

带隙电压基准电路之所以如此重要，是因为它具有与电源电压、工艺、温度变化几乎无关的突出优点。根据搜索到的资料显示，带隙基准电路设计原理是通过具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，二者的温度系数相互抵消，来实现与温度无关的电源基准。例如，在室温附近，具有零温度系数的 VREF 值为 1.21V。

同时，带隙电压基准电路的应用范围非常广泛。以宏晶 STC15F2K60S2 系列单片机为例，其 ADC 第 9 通道就是用来测试内部的带隙电压的。由于内部带隙电压很稳定，不会随芯片的工作电压的改变而变化，所以可以通过测量带隙电压，然后通过 ADC 的值便可反推出 VCC 的电压，从而用户可以实现自己的低压检测功能。美国 Analog Devices 公司的【AD780】是一款独立的超高精度带隙基准电压源，可以利用 4.0 V 至 36 V 的输入提供 2.5 V 或 3.0 V 输出。它具有低初始误差、低温度漂移和低输出噪声。

综上所述，带隙电压基准电路在单片机中具有不可替代的重要地位，为各种模拟集成电路的稳定运行提供了有力保障。

二、带隙电压基准电路原理

（一）正负温度系数的实现

双极晶体管的基极 - 发射极电压，或者说 PN 结二极管的正向电压，具有负温度系数。当温度为 300K 时，其温度系数约为 -1.5mV/K。这是因为基极 - 发射极电压随温度的变化呈现一定的规律，根据资料中的推导结果可知，温度系数与本身大小以及绝对温度有关。

如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极 - 发射极电压的差值就与绝对温度成正比。例如，假定两个晶体管被偏置在电流密度比为 10：1，T = 300K 的条件下，根据公式计算可得它们的集极 - 射极的电压差为 59.5mV，正温度相关度为 0.198mV/K。

（二）带隙基准的生成

利用前面得到的正、负温度系数的电压，便可以设计出一个令人满意的零温度系数基准。即通过将一个正温度系数的电压和一个负温度系数的电压按照一定的比例相加，得到一个几乎不随温度变化的基准电压。

首先考虑一个电路，假设基极电流可以忽略，晶体管 Q2 是由 n 个并联的单元晶体管组成，而 Q1 是一个单元晶体管。假设用某种方法强制 VO1 和 VO2 相等，那么根据电路分析可得，如果 ln n ≈ 17.2，VO2 就可以作为与温度无关的基准。在实际电路中，放大器 A1 以 Vx 和 Vy 为输入，驱动 R1 和 R2（R1 = R2）的上端，使得 X 点和 Y 点稳定在近似相等的电压。基准电压可以在放大器的输出端得到而不是 Y 点。

根据分析，得到流过右边支路的电流，进而得出输出电压。例如，可以选择 n = 31，R1/R2 = 4。这样，通过合理设计电路参数，就可以实现零温度系数的带隙基准。

三、带隙电压基准电路设计

（一）曲率补偿的 BGR 设计

曲率补偿的 BGR 通过引入曲率补偿电流，能够减小电路输出电压对运行温度的敏感度，提高电路的稳定性。根据搜索到的资料，一种带隙基准电路的曲率补偿方法是利用 CTAT 偏置电路的负温度特性以及带隙基准核心基极电流包含的与温度呈非线性的项对 Dokbin 带隙基准电路进行曲率补偿。电路主要包括 CTAT 偏置单元、带隙基准单元和低通滤波器单元。CTAT 偏置单元为带隙基准核心及其跨导放大器部分提供偏置电流，同时利用偏置电路的负温度特性和基准核心基极电流的指数温度特性产生曲率补偿。

例如，在基于 0.18um 工艺的高性能带隙基准电路设计中，曲率补偿的 BGR 采用了特定的结构，通过对电流源、电流比例和电流镜像的优化，实现了对温度变化的抵消。具体来说，通过优化电流源的设计，使得输出电流更加稳定，不受温度变化的影响。同时，调整电流比例和电流镜像，使得补偿电流能够更好地与温度变化相匹配，从而提高了电路的稳定性。

（二）高 PSRR 的 BGR 设计

高 PSRR 的 BGR 通过增加滤波电容和改进差动放大器的结构，能够提高电路对电源噪声和干扰的抑制能力，保证输出电压的稳定性。在设计高 PSRR 的 BGR 时，可以采用以下方法：

首先，增加滤波电容可以有效地滤除电源噪声。根据搜索到的资料，低通滤波器包括滤波电阻和滤波电容，用于提高高频电源抑制比，降低输出噪声。通过合理选择滤波电容的容值和滤波电阻的阻值，可以使电路在不同频率下对电源噪声具有更好的抑制能力。

其次，改进差动放大器的结构可以提高电路的 PSRR 性能。例如，可以优化差动放大器的增益和带宽，进一步提高电路的 PSRR 性能。在基于 0.18um 工艺的高性能带隙基准电路设计中，高 PSRR 的 BGR 采用了特定的结构，通过优化差动放大器的增益和带宽，提高了电路的 PSRR 性能。

此外，还可以采用其他方法来提高电路的 PSRR 性能，如采用共源共栅电流镜结构、增加电源抑制电路等。这些方法可以根据具体的设计需求进行选择和组合，以实现更高的 PSRR 性能。

四、带隙电压基准电路在单片机中的作用

（一）提供稳定参考电压

带隙电压基准电路在单片机中为各种模拟电路提供稳定的参考电压，这是其至关重要的作用之一。例如，在单片机内部的模拟数字转换器（ADC）中，稳定的参考电压能够确保 ADC 转换的精度。如果参考电压不稳定，那么 ADC 转换的结果就会出现较大的误差，从而影响整个系统的性能。此外，在温度传感器、电流检测等模拟电路中，带隙电压基准电路提供的稳定参考电压也起着关键作用。

数据表明，带隙电压基准通常具有较高的精度和稳定性，在一定温度范围内和工作条件下，能够提供相对稳定的电压参考。例如，某些带隙基准电压源在 -40℃至 125℃的温度范围内，电压变化仅为几毫伏，这对于需要高精度的单片机系统来说非常重要。

（二）实现低压检测功能

带隙电压基准电路还可以通过测量带隙电压实现单片机的低压检测功能。以宏晶 STC15F2K60S2 系列单片机为例，其 ADC 的第 9 通道就是用来测试内部的带隙电压的。由于内部带隙电压很稳定，不会随芯片的工作电压的改变而变化，所以可以通过测量带隙电压，然后通过 ADC 的值便可反推出 VCC 的电压，从而实现低压检测功能。

具体实现方法是，首先用户需要在 VCC 很精准的情况下（比如 5.0V），测量出带隙电压的 ADC 转换值（比如为 BGV5），并将这个值保存到 EEPROM 中。然后在低压检测的代码中，在实际 VCC 变化后，所测量出的带隙电压的 ADC 转换值（比如为 BGVx），通过计算公式：实际 VCC = 5.0V * BGV5 / BGVx，即可计算出实际的 VCC 电压值。需要注意的是，第一步的 BGV5 的基准测量一定要精确。这种低压检测功能在很多实际应用中都非常有用，例如在电池供电的设备中，可以及时检测到电池电量不足，以便采取相应的措施，如提醒用户充电或自动进入低功耗模式等。

五、带隙电压基准电路实例

（一）宏晶 STC15F2K60S2 系列单片机应用实例

宏晶 STC15F2K60S2 系列单片机的 ADC 第 9 通道被专门用于测试内部的带隙电压。这一设计为用户实现低压检测功能提供了便利。在实际应用中，该单片机通过将 P1ASF 初始化为 0，关闭所有 P1 口的模拟功能，然后采用正常的 ADC 转换方法读取第 0 通道的值，从而实现通过 ADC 的第 9 通道读取当前带隙电压值。

例如，在一些需要精确测量电压的场合，如电池管理系统中，STC15F2K60S2 单片机可以利用带隙电压基准电路实现对电池电压的准确监测。当电池电量变化导致工作电压发生波动时，单片机可以通过测量带隙电压并结合 ADC 值反推出 VCC 的电压，从而实时掌握电池的剩余电量。

此外，在一些工业自动化控制系统中，该单片机的带隙电压基准电路也能发挥重要作用。它可以为系统中的模拟传感器提供稳定的参考电压，确保传感器输出的信号准确可靠。例如，在温度传感器应用中，稳定的参考电压可以保证温度测量的精度，避免因电压波动而产生误差。

数据显示，STC15F2K60S2 系列单片机的带隙电压基准在不同工作环境下表现出了较高的稳定性。在温度范围为 -40℃至 85℃的工业环境中，其带隙电压的变化仅为 ±1mV 左右，这为工业自动化控制系统的稳定运行提供了有力保障。