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一种简单直观的模拟电路温漂分析方法

2026-09-09 【 字体:

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一种简单直观的模拟电路温漂分析方法

关键词:模拟电路模拟电路

时间:2026-9-8 14:08:09      来源:ADI

c是精密模拟电路中最顽固的误差源之一。尽管人们对器件层面的温度效应已有充分认知,但受非线性依赖关系和混合电路特性影响,系统级温漂(tempco)分析往往十分复杂。

作者:Sherwin Clemente,模拟IC设计工程师

 

摘要

温度变化是精密模拟电路中最顽固的误差源之一。尽管人们对器件层面的温度效应已有充分认知,但受非线性依赖关系和混合电路特性影响,系统级温漂(tempco)分析往往十分复杂。本文提出了一种简单的一阶分析方法,用于评估常见模拟电路的温漂。通过将电路特性分为加法和乘法两类,设计人员能够快速估算温度灵敏度,识别主要温漂贡献项,并在设计早期采用有效的补偿技术。

 

引言

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。

     

    绝对温漂(ATC)与相对温漂(RTC)

    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。

     

    电路温度特性分类

    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。

     

    第1类:加法和减法函数

    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。

       

      第2类:乘法和比率函数

      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。

       

      方法应用示例:基准电流

      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)

      • VBE ≈ −2mV/°C (CTAT)

       

      • • RTCR2 = +100ppm/°C

        • 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。

           

          设计指南总结

          • • 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

               

             

            结语

            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。

             

            作者简介

            Sherwin Clemente是ADI菲律宾公司工业、电源与精密部门的模拟IC设计工程师,负责安全电源保护类产品。他于2019年9月加入ADI公司,此前在一家半导体公司担任研发工程师四年,专注于高压开关稳压器。他拥有拉萨雷特大学电子工程学士学位。

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