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荒岛设计:不用软件工具能开展设计吗?

上网日期: 2009年01月05日 ?? 作者: Dave Ritter ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:电压基准? 带隙? Spice? 结点?

有人可以不用键盘和软件工具开展设计吗?以前确实有这种情况,那时设计只需纸、笔、数学理论和计算尺。现在设计师使用Spice、Matlab、Mathcad、Simulink、Altium、Excel等数不清的辅助工具。如今设计师遇到新的技术问题时的下意识反映是需要新的工程软件。

难道没有这些软件工具就无法解决问题了吗?只用人类的脑灰质和突出神经元能够走多远呢?让我们看看下面的例子。

假设条件

设想你正在一条小型游船上作一次3小时的短暂航行,充分享受着咸湿的空气和海风。突然天气发生巨变,最后你发现自己只能停泊在一座无名小岛上。和你一起的船友眼巴巴地指望着你来拯救他们,因此你需要修复一个电压基准被破坏了的无线电台。这时你有一堆一直带在身边的电子零件,包括一个五晶体管的阵列、一个运放、一袋电阻和一个原型电路板(原型板)。为了避免争论,假设你的备用器件都是带引线的通孔器件,操作起来很方便,那么,无线电台能修复得了吗?

虽然有点牵强,但很重要,这就是“阿波罗13号”问题:只用身边能找到的东西进行修复、创建,并使之进入工作状态。IC和PCB设计师发现他们每天都处于这种尴尬境地。对那些只有少量生产问题的芯片和电路板作巨大的改动既费时又费钱。

如果IC设计师能“用金属修复”,或PCB设计师能用“使用中的二极管”来解决上述问题,他就是一位英雄,并且确实如此。因此我们此次的练习具有很大的实用性。现在,我们该如何依据一些部件和我们头脑中的少量概念来建立电压基准呢?

设计思考

我们需要些东西提供已知的电压。首先想到的是Vbe。中等电流密度下的Vbe约0.65V,但它随温度而变化,在室温环境中每升高1℃电压会下降2mV。因此我们需要相对于温度变化不大的参数(更低的温度系数)。必须好好想一想。

还记得“delta Vbe”(ΔVbe)吗? 双极结点有一个奇怪的特性:电压随温度升高而下降,但具有不同电流的两个结点间的电压(ΔVbe)却会上升。事实上,这个差异直接正比于绝对温度。

在室温(300K)时,温度变化1度,ΔVbe变化1/300。这表明ΔVbe相对较小,因此必须对它们进行放大。如果将ΔVbe提高到600mV,那么上述1/300变化将转换为2mV/℃!(Vbe的温度效应是幅度相等,方向相反)。

两者相加,可以得到650mV+600mV(室温下),即1.25V。由于两个变化都与温度变化方向相反,因此总和维持不变。这样,1.25V刚好可以成为带隙基准的‘魔术电压’。

设计理论

为了理解它为什么叫带隙电压,想象一下温度下降到绝对零度的情况,这时ΔVbe也会下降到零(图1)。为了使输出保持不变,Vbe必须上升1.25V。

图1:结点特性。
图1:结点特性。

这又真正意味着什么呢?Vbe对温度的依赖性来自硅半导体的自然特性。为了实现电流流动,必须增加电压,直到电子从晶格中逃逸出来。当硅片温度非常低时,电子能量很小,它们紧挨着原子。

如果缓慢地提高(结点两端的)电压,电流会在一个非常特殊的电压点突然跳升。这个电压给了电子足够的能量,可以让它在晶体内自由移动,这就是带隙电压。随着硅片越来越热,曲线趋于平缓,电压也越来越低。图1还给出了电流随温度变化的曲线,并描述了ΔVbe如何随温度增加而增加的情况。虚线是工作在1倍电流的结点V-I曲线,实线是工作在4倍电流的结点V-I曲线。

当将ΔVbe的右边部分增加到Vbe时,我们就获得了独立于温度的带隙电压。这种方法的重要性如何呢?几乎每种芯片内部都有一个带隙基准,可为变化范围很宽的电压建立偏置电压和电流。

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