Инженеры разработали упрощенный метод анализа температурной нестабильности аналоговых схем

模拟电路 并非在温度恒定的理想环境中运行。晶体管结电压、电阻值和载流子迁移率均会随温度变化，进而造成基准电压、偏置电流、失调电压和增益发生漂移。在数据转换器、传感器、电源管理系统等众多应用中，温度漂移会直接限制电路可实现的准确度水平。 尽管现代仿真器支持温度扫描仿真，但手动分析依然具备重要价值，能够解答两个基本问题： • 哪些参数或器件是影响温度漂移的主要因素？ • 电路拓扑如何放大或抑制这类温度漂移效应？ 本文介绍一种基于规则的 温漂分析 方法，只需基本计算和直观电路检查即可完成分析。 开展电路分析之前，需要先区分两种常用的温漂形式。 绝对温漂 ATC 用于衡量输出量随温度的直接变化量： 典型单位包括mV/°C、µA/°C或Ω/°C。当绝对误差至关重要时，例如基准电压漂移， ATC 最为有用。 相对温漂 RTC 将漂移量针对标称值做归一化处理： 其单位通常为ppm/°C或%/°C，尤其适用于绝对输出值可调的电路，例如可调输出(VOUT)稳压器电路。 进行 温度分析 时，大多数 模拟电路 都可归为两类函数模型中的一种。 定义 加法或减法函数的形式如下： 示例 带隙基准电压源就是一个典型例子： 其中： • VBE为与绝对温度成反比的负温度系数(CTAT) • ΔVBE为与绝对温度成正比的正温度系数(PTAT) 温漂分析 规则 对于加法函数： 关键洞察： ATC可以代数相加。如果某一项的温漂远大于其余各项的温漂，则该项是影响整体漂移的主要因素。 对实际设计的启示 通过正负ATC项相互抵消，可实现与温度无关的特性。该原理是带隙基准电压源和许多补偿偏置发生器的理论基础。 定义 乘法或比率函数的形式如下： 示例 基于电压与电阻比的基准电流： 温漂分析 规则 进行一阶微分推导： 其中，符号由乘除运算形式决定。 关键洞察： RTC 项可以代数相加。对于乘法式电路，采用正负RTC项相互抵消能够最小化温度漂移。 对于比率式电路，令分子、分母RTC的幅值与极性相互匹配，即可使温度漂移最小化。 以图1所示的简单基准电流发生器电路为例： 图1：使用双极性晶体管的基极-发射极电压(VBE)与电阻生成基准电流的简单基准电流发生器。 已知条件： • VBE ≈ −2mV/°C (CTAT) • RTCR2 = +100ppm/°C 基准电流的RTC为： 例如，当VBE ≈ 0.7V时，可近似算出VBE引入的RTC如下： 将式11和RTCR2代入式10可得： 根据式12，IREF呈现显著的负温度相关性。 此时选择一个RTC幅值和极性与分子RTC相匹配的电阻，能够显著降低整体温度漂移。 为何该方法有效 该方法之所以有效，原因在于： • 在大部分工作范围内，一阶温度效应占主导地位 • 相较于一阶效应，高阶非线性项通常更小，在不需要超高精度的应用中往往可以忽略不计 • 该分析能够直接反映电路元件的综合特性。 最重要的是，它让设计人员能够在仿真或硅验证之前预测电路温度性能。 • 分析具有加法或减法行为的电路时，应使用ATC • 分析具有乘法或比率行为的电路时，应使用RTC 有效的温漂分析无需复杂的手段。通过将电路分为加法和乘法两类，并配合简单的数学计算，工程师就能快速洞察电路温度特性。该方法将器件特性与实际电路设计有效关联起来，有助于工程师更快收敛至稳定可靠、能够适应温度变化的解决方案。 新浪科技公众号 “掌”握科技鲜闻 （微信搜索techsina或扫描左侧二维码关注）