这篇文档属于类型b,即一篇综述性科学论文。以下是基于文档内容的学术报告:
作者与机构
本文的作者是Jasbir Kaur和Shivani,分别来自印度昌迪加尔的Punjab Engineering College (Deemed to be University)的电子与通信工程系。Jasbir Kaur是助理教授,Shivani是硕士研究生。本文发表于2019年2月,刊登在《Journal of Emerging Technologies and Innovative Research (JETIR)》第6卷第2期。
论文主题
本文的主题是对带隙电压参考电路(Bandgap Voltage Reference, BGR)的综述,特别是对其中运算放大器(Operational Amplifier, Op-Amp)模块的详细分析。带隙电压参考电路是模拟和混合信号电子设备中不可或缺的构建模块,其性能高度依赖于运算放大器的设计。
主要观点与论据
1. 带隙电压参考电路的基本原理与重要性
带隙电压参考电路的核心功能是生成一个不受电源波动、温度变化和电路负载影响的恒定电压。这种电路广泛应用于数据转换器(如ADC和DAC)、脉宽调制器(PWM)、振荡器、控制器、线性稳压器和锁相环(PLL)等设备中。
其工作原理基于双极型晶体管(BJT)的基极-发射极电压(Vbe)和热电压(Vt)的温度特性。Vbe随温度线性下降,而Vt随温度线性上升。通过将Vt按比例放大并与Vbe相加,可以获得一个温度依赖性较低的参考电压(Vref)。
支持这一观点的证据包括传统带隙参考电路的结构图(图1)及其数学表达式:Vref = Vbe + k × Vt,其中k是一个温度无关的标量系数。
2. 传统带隙电压参考电路的局限性
传统带隙参考电路使用寄生双极型PNP晶体管,其电流增益(βf)性能较差,且运算放大器的偏移电压会显著影响电路精度。这些问题导致传统电路在低电压应用中的性能受限。
本文引用了文献[7]中的研究,提出了一种改进的带隙参考电路设计。该设计使用CMOS晶体管在亚阈值区工作,生成与绝对温度成正比(PTAT)和与绝对温度互补(CTAT)的电流,并通过电阻生成参考电压。这种设计的主要目标是实现低电压能力、低线路敏感性和低小信号电源响应(PSR)。
3. 运算放大器在带隙参考电路中的关键作用
运算放大器的性能直接影响带隙参考电路的直流误差和输出噪声电压。本文详细分析了四种运算放大器架构:望远镜式OTA(Telescopic OTA)、对称OTA(Balanced OTA)、两级运算放大器(Two-Stage Op-Amp)和折叠共源共栅运算放大器(Folded Cascode Op-Amp)。
每种架构的优缺点如下:
- 望远镜式OTA:适用于高增益需求,但在低电源电压下性能受限。
- 对称OTA:具有较低的偏移电压和较高的转换速率,但功耗较高。
- 两级运算放大器:提供高输出摆幅,但频率响应较差且功耗较高。
- 折叠共源共栅运算放大器:在频率响应和电源抑制比(PSRR)方面表现优异,适合负反馈应用。
支持这些观点的证据包括各架构的电路图(图5至图8)及其性能参数的比较表(表1和表2)。
4. 带隙参考电路设计的优化方向
本文指出,带隙参考电路的设计需要根据具体应用需求选择合适的运算放大器架构。例如,对于低电压应用,折叠共源共栅运算放大器是更好的选择,因为它能够在较宽的电源电压范围内稳定工作。
此外,本文还提到,使用OTA的带隙参考电路对制造工艺的依赖性较低,这为其在超低功耗应用中的使用提供了优势。
论文的意义与价值
本文通过对带隙电压参考电路及其运算放大器模块的全面综述,为相关领域的研究人员提供了重要的设计参考。特别是对运算放大器架构的详细分析,为优化带隙参考电路的性能提供了理论依据。
本文的价值在于:
1. 系统地总结了带隙参考电路的工作原理及其局限性,为改进设计提供了方向。
2. 详细比较了不同运算放大器架构的性能,帮助设计者根据具体需求选择最合适的方案。
3. 提出了带隙参考电路在低电压和超低功耗应用中的优化策略,为未来研究提供了思路。
本文不仅为带隙电压参考电路的设计提供了理论支持,也为相关领域的研究人员提供了宝贵的实践指导。