1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源：原理、設(shè)計與性能優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今數(shù)字化時代，電子設(shè)備已廣泛滲透到人們生活和工作的各個領(lǐng)域。從智能手機(jī)、平板電腦等便攜式移動設(shè)備，到高性能計算機(jī)、通信基站等大型電子系統(tǒng)，它們的正常運行都離不開精準(zhǔn)且穩(wěn)定的電壓供應(yīng)。基準(zhǔn)電壓源作為電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵基礎(chǔ)模塊，其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎整個系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性與可靠性，對電子設(shè)備的性能起著決定性作用。例如，在高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）中，基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性決定了轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性；在射頻通信電路里，穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓能保障信號的精確調(diào)制與解調(diào)，降低誤碼率，提升通信質(zhì)量。因此，設(shè)計和研究高性能的基準(zhǔn)電壓源，對于滿足現(xiàn)代電子設(shè)備不斷提升的性能需求，推動電子信息技術(shù)的發(fā)展，具有極為重要的現(xiàn)實意義。在眾多類型的基準(zhǔn)電壓源中，帶隙基準(zhǔn)電壓源憑借其卓越的性能優(yōu)勢，成為了集成電路領(lǐng)域的研究熱點與應(yīng)用主流。帶隙基準(zhǔn)電壓源主要利用半導(dǎo)體材料的能隙效應(yīng)，通過巧妙的電路設(shè)計，將與溫度相關(guān)的正溫度系數(shù)電壓和負(fù)溫度系數(shù)電壓進(jìn)行合理疊加，從而產(chǎn)生一個幾乎不隨溫度和電源電壓變化的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓輸出。這種特性使得帶隙基準(zhǔn)電壓源在各種對電壓穩(wěn)定性要求苛刻的電路中得到了廣泛應(yīng)用，如在低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）中，它為穩(wěn)壓器提供精確的參考電壓，確保輸出電壓的穩(wěn)定，有效降低電壓波動對負(fù)載的影響；在數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）中，其穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓是實現(xiàn)高精度數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，保證了輸出模擬信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?？梢哉f，帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能高低，在很大程度上影響著整個集成電路系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。隨著集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，芯片的集成度不斷提高，尺寸持續(xù)縮小，這對基準(zhǔn)電壓源的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。一方面，為了適應(yīng)低功耗設(shè)計的趨勢，降低整個芯片系統(tǒng)的能耗，基準(zhǔn)電壓源需要在保證高精度和高穩(wěn)定性的前提下，實現(xiàn)更低的功耗。另一方面，隨著工作電壓的不斷降低，如何在低電源電壓下確保基準(zhǔn)電壓源的正常工作，并維持其優(yōu)良的性能，成為了亟待解決的關(guān)鍵問題。此外，在不同的應(yīng)用場景中，電子設(shè)備可能會面臨各種復(fù)雜的溫度環(huán)境，這就要求基準(zhǔn)電壓源具有更好的溫度穩(wěn)定性，能夠在寬溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)電壓。1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源正是在這樣的背景下應(yīng)運而生。它基于CMOS工藝，具有易于集成、成本低等優(yōu)點，能夠很好地適應(yīng)現(xiàn)代集成電路小型化、低成本的發(fā)展需求。通過引入溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)，該基準(zhǔn)電壓源可以對溫度變化引起的電壓漂移進(jìn)行更加精確的補(bǔ)償，有效提高了在不同溫度條件下的輸出電壓精度和穩(wěn)定性，能夠在更廣泛的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，滿足更多復(fù)雜應(yīng)用場景的需求。研究和設(shè)計1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，不僅有助于提升電子設(shè)備的性能和可靠性，推動集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，還具有重要的理論研究價值和實際應(yīng)用前景，對于促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級具有積極的推動作用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在帶隙基準(zhǔn)電壓源的研究領(lǐng)域，國外起步較早，積累了豐富的研究成果和先進(jìn)技術(shù)。早期，國外學(xué)者就對帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理進(jìn)行了深入研究，通過對半導(dǎo)體材料特性的精準(zhǔn)把握，構(gòu)建了帶隙基準(zhǔn)電壓源的理論基礎(chǔ)。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，為了滿足日益增長的低功耗、高精度、低電壓等性能需求，國外研究人員在電路設(shè)計、補(bǔ)償技術(shù)等方面展開了廣泛而深入的探索。在低電壓設(shè)計方面，一些國外團(tuán)隊提出了采用亞閾值技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計方案，使電路能夠在較低的電源電壓下正常工作，有效降低了功耗。例如，[具體文獻(xiàn)1]中提出的基于亞閾值工作的帶隙基準(zhǔn)電路，通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和器件參數(shù)，實現(xiàn)了在1V以下電源電壓下的穩(wěn)定工作，且具有較低的功耗，為低電壓帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計提供了重要的參考思路。在溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)方面，國外研究人員提出了多種新穎的補(bǔ)償方法，如利用高階多項式擬合進(jìn)行溫度補(bǔ)償，能夠更精確地對溫度變化引起的電壓漂移進(jìn)行補(bǔ)償，有效提高了基準(zhǔn)電壓源在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。像[具體文獻(xiàn)2]中采用的基于高階溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源，在較寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了極低的溫度系數(shù)，顯著提升了基準(zhǔn)電壓源的溫度性能。國內(nèi)在帶隙基準(zhǔn)電壓源領(lǐng)域的研究雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速，取得了一系列令人矚目的成果。眾多科研機(jī)構(gòu)和高校積極投身于相關(guān)研究，在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)實際需求和技術(shù)條件，進(jìn)行了大量創(chuàng)新性的工作。在低電壓帶隙基準(zhǔn)電壓源的研究中，國內(nèi)學(xué)者通過對電路結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計和對器件性能的優(yōu)化，成功實現(xiàn)了在低電源電壓下的高性能輸出。例如，[具體文獻(xiàn)3]提出了一種適用于1V電源電壓的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計，通過巧妙的電路架構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化，在實現(xiàn)低功耗的同時，保證了較高的輸出電壓精度和穩(wěn)定性，在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域具有一定的代表性。在溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)方面，國內(nèi)研究人員也提出了一些獨特的方法，如基于數(shù)字校準(zhǔn)的溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)，通過數(shù)字算法對溫度補(bǔ)償進(jìn)行精確控制，提高了補(bǔ)償?shù)撵`活性和精度。[具體文獻(xiàn)4]中介紹的基于數(shù)字校準(zhǔn)的帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，在溫度穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色，有效解決了傳統(tǒng)補(bǔ)償方法在某些情況下補(bǔ)償不足的問題。盡管國內(nèi)外在帶隙基準(zhǔn)電壓源尤其是1V低電壓、溫度曲率補(bǔ)償方面取得了顯著進(jìn)展，但仍然存在一些不足之處。在低電壓工作時，雖然已經(jīng)有不少設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作，但在電源抑制比、噪聲性能等方面仍有待進(jìn)一步提高，以滿足一些對電源純凈度要求極高的應(yīng)用場景，如高精度測量儀器、高端通信設(shè)備等。在溫度曲率補(bǔ)償方面，現(xiàn)有的補(bǔ)償方法在復(fù)雜溫度變化環(huán)境下，仍難以實現(xiàn)全溫度范圍內(nèi)的絕對精準(zhǔn)補(bǔ)償，溫度系數(shù)在某些極端溫度條件下仍有優(yōu)化空間，限制了帶隙基準(zhǔn)電壓源在一些對溫度穩(wěn)定性要求苛刻的特殊環(huán)境中的應(yīng)用。此外，在提高帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的同時，如何降低芯片面積和制造成本，實現(xiàn)性能與成本的最佳平衡，也是當(dāng)前研究中面臨的一個重要挑戰(zhàn)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在設(shè)計一款適用于現(xiàn)代集成電路應(yīng)用的1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，在滿足低電源電壓工作要求的同時，實現(xiàn)高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性以及低功耗的性能目標(biāo)。具體而言，期望該基準(zhǔn)電壓源在較寬的溫度范圍內(nèi)，如-40℃至125℃，能保持極低的溫度系數(shù)，達(dá)到小于10ppm/℃的水平，確保輸出電壓的波動極小，以滿足對溫度穩(wěn)定性要求苛刻的應(yīng)用場景。在功耗方面，致力于將功耗降低至微瓦量級，如5μW以下，以適應(yīng)便攜式電子設(shè)備等對低功耗的嚴(yán)格需求。同時，通過優(yōu)化電路設(shè)計，提高電源抑制比，使其在低頻段達(dá)到80dB以上，有效抑制電源電壓波動對輸出基準(zhǔn)電壓的影響，提升電路的抗干擾能力。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本研究將圍繞以下幾個方面展開內(nèi)容：深入研究帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理：對帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心原理，即利用半導(dǎo)體材料的能隙效應(yīng)產(chǎn)生穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓的機(jī)制進(jìn)行深入剖析。詳細(xì)研究雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓（VBE）與溫度的負(fù)相關(guān)特性，以及不同電流密度下雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓差（VT）與溫度的正相關(guān)特性。分析如何通過巧妙的電路設(shè)計，將這兩種具有相反溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行精確加權(quán)疊加，以實現(xiàn)輸出電壓的溫度系數(shù)最小化。同時，研究帶隙基準(zhǔn)電壓源中其他關(guān)鍵參數(shù)，如電源抑制比、輸出噪聲、負(fù)載能力等對整體性能的影響，為后續(xù)的電路設(shè)計提供堅實的理論基礎(chǔ)。全面分析溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)：系統(tǒng)地研究各種溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)的原理、方法和優(yōu)缺點。重點關(guān)注基于高階多項式擬合的溫度曲率補(bǔ)償方法，深入理解其如何通過對溫度變化的精確數(shù)學(xué)建模，實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓源輸出電壓的更精準(zhǔn)補(bǔ)償。分析該方法在不同溫度范圍內(nèi)的補(bǔ)償效果，以及在實際應(yīng)用中可能面臨的問題，如計算復(fù)雜度、參數(shù)調(diào)整難度等。此外，還將研究基于數(shù)字校準(zhǔn)的溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)，探討其如何利用數(shù)字算法對溫度補(bǔ)償進(jìn)行靈活控制，提高補(bǔ)償?shù)木群涂煽啃?。對比不同溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，為選擇合適的補(bǔ)償技術(shù)提供依據(jù)。優(yōu)化設(shè)計1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源電路：基于對帶隙基準(zhǔn)電壓源基本原理和溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)的研究，進(jìn)行1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路設(shè)計。在電路設(shè)計過程中，充分考慮低電源電壓工作的要求，采用亞閾值技術(shù)，使部分CMOS器件工作在亞閾值區(qū)域，以降低功耗。同時，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，提高電源抑制比，減少電源噪聲對輸出基準(zhǔn)電壓的影響。例如，通過采用自偏壓共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡，增強(qiáng)對電源電壓變化的抑制能力；在輸出端接入合適的濾波電容，進(jìn)一步降低高頻噪聲。此外，精心設(shè)計啟動電路，確保電路在加電時能夠迅速、穩(wěn)定地進(jìn)入正常工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)啟動失敗或不穩(wěn)定的情況。借助EDA工具進(jìn)行電路仿真與性能分析：利用先進(jìn)的電子設(shè)計自動化（EDA）工具，如Cadence、HSPICE等，對設(shè)計的1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源電路進(jìn)行全面的仿真分析。在仿真過程中，詳細(xì)研究電路在不同溫度、電源電壓和負(fù)載條件下的性能表現(xiàn)。通過仿真結(jié)果，精確評估電路的各項性能指標(biāo)，如溫度系數(shù)、電源抑制比、輸出噪聲、功耗等，與設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行對比分析。根據(jù)仿真結(jié)果，對電路進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，如調(diào)整器件參數(shù)、改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)等，以逐步逼近設(shè)計目標(biāo)，確保電路性能滿足預(yù)期要求。開展實際電路制作與測試驗證：在完成電路設(shè)計和仿真優(yōu)化后，進(jìn)行實際的電路制作。選擇合適的CMOS工藝，如TSMC0.18μm工藝，將設(shè)計的電路轉(zhuǎn)化為物理版圖，并交由專業(yè)的芯片制造廠商進(jìn)行流片生產(chǎn)。在芯片制作完成后，搭建完善的測試平臺，對實際制作的帶隙基準(zhǔn)電壓源芯片進(jìn)行全面的測試驗證。測試內(nèi)容包括在不同溫度、電源電壓和負(fù)載條件下的輸出電壓穩(wěn)定性測試，以及電源抑制比、輸出噪聲、功耗等性能指標(biāo)的測試。將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證設(shè)計的正確性和有效性。針對測試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)行深入分析和改進(jìn)，進(jìn)一步優(yōu)化電路性能，確保設(shè)計的1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠滿足實際應(yīng)用的需求。二、CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源基礎(chǔ)理論2.1CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源工作原理2.1.1基本原理闡述CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心工作原理是基于半導(dǎo)體材料的物理特性，巧妙地利用具有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行疊加，從而實現(xiàn)與溫度無關(guān)的穩(wěn)定電源基準(zhǔn)輸出。在半導(dǎo)體材料中，雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓（VBE）呈現(xiàn)出明顯的負(fù)溫度系數(shù)特性。當(dāng)溫度升高時，雙極型晶體管內(nèi)部的載流子濃度增加，導(dǎo)致其基極-發(fā)射極之間的勢壘降低，從而使得VBE電壓下降。具體而言，在室溫附近，VBE的溫度系數(shù)約為-2.2mV/℃，即溫度每升高1℃，VBE電壓大約下降2.2mV。這種負(fù)溫度系數(shù)特性使得VBE電壓會隨著溫度的變化而產(chǎn)生較大的波動，如果直接將其作為基準(zhǔn)電壓，會導(dǎo)致整個電路系統(tǒng)的性能受到溫度變化的嚴(yán)重影響。為了補(bǔ)償VBE的負(fù)溫度系數(shù)，帶隙基準(zhǔn)電壓源引入了與絕對溫度成正比（PTAT）的電壓。通過讓兩個雙極型晶體管工作在不同的電流密度下，可以得到它們的基極-發(fā)射極電壓差（ΔVBE），這個電壓差與絕對溫度成正比，即具有正溫度系數(shù)。假設(shè)兩個相同的雙極型晶體管Q1和Q2，其發(fā)射極面積分別為S1和S2，偏置的集電極電流分別為I1和I2。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，它們的基極-發(fā)射極電壓差可以表示為：\DeltaV_{BE}=V_{T}\ln\left(\frac{I_{1}S_{2}}{I_{2}S_{1}}\right)其中，VT=kT/q，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量。從公式中可以看出，ΔVBE與絕對溫度T成正比，在室溫下，其溫度系數(shù)約為0.085mV/℃，隨著溫度的升高，ΔVBE電壓會線性增加。將具有負(fù)溫度系數(shù)的VBE電壓與具有正溫度系數(shù)的ΔVBE電壓進(jìn)行加權(quán)相加，就可以得到一個近似與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。其基本表達(dá)式為：V_{REF}=V_{BE}+K\DeltaV_{BE}其中，K為加權(quán)系數(shù)，通過合理設(shè)計電路參數(shù)，調(diào)整K的值，使得在特定溫度下，VREF的溫度系數(shù)趨近于零。例如，在某一設(shè)計中，經(jīng)過精確計算和參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)K取值為某一特定值時，在室溫25℃下，VREF的溫度系數(shù)可以被補(bǔ)償?shù)綐O小值，實現(xiàn)了基準(zhǔn)電壓在該溫度點對溫度變化的高度穩(wěn)定性。在實際的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源電路中，通常會采用運算放大器、電阻、電流鏡等元件，構(gòu)建一個反饋控制系統(tǒng)，來精確地控制VBE和ΔVBE的比例關(guān)系，確保在不同的溫度和電源電壓條件下，都能穩(wěn)定地輸出與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓。運算放大器通過比較兩個輸入電壓，產(chǎn)生一個誤差信號，該信號經(jīng)過放大后，用于調(diào)整電流鏡的工作狀態(tài)，從而改變流過雙極型晶體管的電流，進(jìn)而精確地調(diào)節(jié)VBE和ΔVBE的大小，實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的精確控制和溫度補(bǔ)償。2.1.2關(guān)鍵參數(shù)分析基準(zhǔn)電壓與溫度的關(guān)系：基準(zhǔn)電壓（VREF）是帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心輸出參數(shù)，其與溫度的關(guān)系直接決定了電路的溫度穩(wěn)定性。在理想情況下，經(jīng)過精確的溫度補(bǔ)償設(shè)計，VREF應(yīng)該在寬溫度范圍內(nèi)保持恒定，不受溫度變化的影響。然而，在實際應(yīng)用中，由于各種因素的影響，如半導(dǎo)體材料的特性偏差、電路元件的非理想性等，VREF仍然會隨溫度產(chǎn)生一定的漂移。溫度系數(shù)（TC）是衡量基準(zhǔn)電壓隨溫度變化程度的重要指標(biāo)，其定義為溫度每變化1℃時，基準(zhǔn)電壓的相對變化量，通常用ppm/℃（百萬分之一每攝氏度）來表示。例如，一個溫度系數(shù)為10ppm/℃的帶隙基準(zhǔn)電壓源，意味著在溫度變化100℃時，基準(zhǔn)電壓的變化量為10ppm/℃×100℃=0.1%。較低的溫度系數(shù)表示基準(zhǔn)電壓對溫度變化的敏感度較低，具有更好的溫度穩(wěn)定性。在設(shè)計1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源時，通過采用先進(jìn)的溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)，如基于高階多項式擬合的補(bǔ)償方法，可以有效地降低溫度系數(shù)，使VREF在-40℃至125℃的寬溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)達(dá)到小于10ppm/℃的水平，顯著提高了基準(zhǔn)電壓的溫度穩(wěn)定性。基準(zhǔn)電流與溫度的關(guān)系：除了基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電流（IREF）也是帶隙基準(zhǔn)電壓源的一個關(guān)鍵參數(shù)。在許多應(yīng)用中，帶隙基準(zhǔn)電壓源不僅需要提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，還需要提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電流，用于為其他電路模塊提供偏置或參考。IREF與溫度的關(guān)系同樣受到雙極型晶體管特性和電路設(shè)計的影響。在一些帶隙基準(zhǔn)電壓源電路中，IREF可以通過與產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓相同的原理來生成，即利用具有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行疊加，以實現(xiàn)與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電流輸出。然而，在實際電路中，由于電流鏡的非理想性、電阻的溫度特性等因素，IREF也會隨溫度產(chǎn)生一定的變化。這種變化可能會影響到整個電路系統(tǒng)的性能，特別是對于那些對電流穩(wěn)定性要求較高的電路模塊，如高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、射頻電路等。因此，在設(shè)計帶隙基準(zhǔn)電壓源時，需要充分考慮IREF與溫度的關(guān)系，通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，采用溫度補(bǔ)償技術(shù)等手段，來減小IREF隨溫度的變化，提高其穩(wěn)定性。例如，可以采用具有溫度補(bǔ)償功能的電流鏡電路，通過引入額外的溫度補(bǔ)償支路，對電流鏡的輸出電流進(jìn)行修正，以抵消溫度變化對IREF的影響?；鶞?zhǔn)電壓與工藝參數(shù)的關(guān)系：CMOS工藝參數(shù)的變化對帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能有著重要的影響。由于半導(dǎo)體制造工藝的復(fù)雜性和不確定性，不同批次生產(chǎn)的芯片，甚至同一芯片上不同位置的器件，其工藝參數(shù)都會存在一定的偏差。這些工藝參數(shù)包括晶體管的閾值電壓（VTH）、跨導(dǎo)（gm）、寄生電容和電阻等。晶體管的閾值電壓偏差會直接影響到雙極型晶體管的VBE電壓，進(jìn)而影響基準(zhǔn)電壓的大小。當(dāng)閾值電壓發(fā)生變化時，VBE與溫度的關(guān)系也會改變，導(dǎo)致溫度補(bǔ)償?shù)男Ч艿接绊?，使得基?zhǔn)電壓的溫度系數(shù)增大。寄生電容和電阻的變化會影響電路的頻率響應(yīng)和信號傳輸特性，可能導(dǎo)致電路的穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)振蕩等問題。為了減小工藝參數(shù)變化對帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的影響，在設(shè)計過程中通常會采用一些補(bǔ)償技術(shù)和設(shè)計方法。例如，采用基于校準(zhǔn)技術(shù)的設(shè)計，通過在芯片制造完成后，對電路進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，以補(bǔ)償工藝參數(shù)的偏差。還可以采用工藝無關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法，如利用器件的相對比例關(guān)系來構(gòu)建電路，減少對絕對工藝參數(shù)的依賴，從而提高電路的一致性和穩(wěn)定性。在版圖設(shè)計階段，也需要采取一些措施，如合理布局器件、優(yōu)化布線等，以減小寄生參數(shù)的影響，提高電路性能。2.2溫度曲率補(bǔ)償原理2.2.1溫度對帶隙基準(zhǔn)電壓源影響機(jī)制溫度變化對帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能有著復(fù)雜而關(guān)鍵的影響，其作用機(jī)制主要通過影響帶隙基準(zhǔn)電壓源中的關(guān)鍵參數(shù)來實現(xiàn)。在帶隙基準(zhǔn)電壓源中，雙極型晶體管是核心器件之一，其基極-發(fā)射極電壓（VBE）對溫度變化極為敏感。隨著溫度升高，雙極型晶體管內(nèi)部的載流子濃度會顯著增加。這是因為溫度的升高為電子提供了更多的能量，使更多的電子能夠克服禁帶寬度的束縛，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，從而導(dǎo)致載流子濃度上升。載流子濃度的增加使得基極-發(fā)射極之間的勢壘降低，根據(jù)半導(dǎo)體物理原理，VBE電壓會隨之下降。這種負(fù)溫度系數(shù)特性使得VBE在溫度變化時產(chǎn)生較大波動，在室溫附近，VBE的溫度系數(shù)約為-2.2mV/℃，即溫度每升高1℃，VBE電壓大約下降2.2mV。如果不對這種溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，VBE的波動將直接導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出的基準(zhǔn)電壓隨溫度產(chǎn)生較大漂移，嚴(yán)重影響整個電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。另一個受溫度影響的關(guān)鍵參數(shù)是與絕對溫度成正比（PTAT）的電壓。PTAT電壓通常通過讓兩個雙極型晶體管工作在不同的電流密度下，獲取它們的基極-發(fā)射極電壓差（ΔVBE）來產(chǎn)生。雖然理論上ΔVBE與絕對溫度成正比，具有正溫度系數(shù)，然而在實際應(yīng)用中，溫度變化會影響到產(chǎn)生PTAT電壓的電路中的電阻、晶體管的特性等。溫度升高會使電阻的阻值發(fā)生變化，一般金屬膜電阻的溫度系數(shù)在10-6～10-5數(shù)量級，碳膜電阻的溫度系數(shù)相對較大，約為10-4～10-3數(shù)量級。電阻阻值的變化會改變電路中的電流分配，進(jìn)而影響到雙極型晶體管的工作電流，使得ΔVBE的大小發(fā)生改變，不再嚴(yán)格遵循與絕對溫度成正比的關(guān)系。晶體管的跨導(dǎo)（gm）也會隨溫度變化，溫度升高時，gm通常會下降，這會影響到電流鏡等電路對電流的復(fù)制精度，間接影響PTAT電壓的穩(wěn)定性。這些因素綜合作用，導(dǎo)致PTAT電壓在溫度變化時也會產(chǎn)生一定的波動，偏離理想的線性變化關(guān)系。此外，帶隙基準(zhǔn)電壓源中的其他元件，如電容、電感等，其參數(shù)也會受到溫度的影響。電容的電容量會隨溫度變化，不同類型的電容溫度系數(shù)不同，例如陶瓷電容的溫度系數(shù)一般在-100ppm/℃至100ppm/℃之間。電容量的變化會影響電路的時間常數(shù)，對于一些包含積分、微分等功能的電路模塊，會改變其頻率響應(yīng)特性，進(jìn)而影響帶隙基準(zhǔn)電壓源的動態(tài)性能。電感的電感值也會隨溫度變化，不過相對電容而言，電感的溫度穩(wěn)定性通常較好，但在一些對電感精度要求較高的電路中，其溫度變化仍不容忽視。這些元件參數(shù)的變化，雖然在單個元件上可能影響較小，但在整個帶隙基準(zhǔn)電壓源電路中，經(jīng)過多級電路的累積和相互作用，會對基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和精度產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致輸出基準(zhǔn)電壓在溫度變化時出現(xiàn)不可忽視的漂移，降低了帶隙基準(zhǔn)電壓源在不同溫度環(huán)境下的性能表現(xiàn)。2.2.2曲率補(bǔ)償技術(shù)原理與實現(xiàn)方式曲率補(bǔ)償技術(shù)是提高帶隙基準(zhǔn)電壓源溫度穩(wěn)定性的關(guān)鍵技術(shù)，其核心原理是通過引入與溫度相關(guān)的非線性補(bǔ)償項，對基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的非線性特性進(jìn)行精確補(bǔ)償，從而進(jìn)一步降低溫度系數(shù)，使基準(zhǔn)電壓在更寬的溫度范圍內(nèi)保持高度穩(wěn)定。基于PTAT電壓和CTAT電壓的斜率和曲率補(bǔ)償是實現(xiàn)曲率補(bǔ)償?shù)闹匾绞?。如前文所述，CTAT電壓通常由雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓（VBE）提供，其具有負(fù)溫度系數(shù)；PTAT電壓則通過兩個雙極型晶體管工作在不同電流密度下的基極-發(fā)射極電壓差（ΔVBE）獲得，具有正溫度系數(shù)。在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源中，通過將CTAT電壓和PTAT電壓進(jìn)行加權(quán)相加，實現(xiàn)了一階溫度補(bǔ)償，在一定程度上減小了基準(zhǔn)電壓的溫度漂移。然而，由于VBE和ΔVBE與溫度的關(guān)系并非完全線性，實際的基準(zhǔn)電壓-溫度曲線存在一定的曲率，一階補(bǔ)償無法完全消除這種非線性影響。為了實現(xiàn)更精確的曲率補(bǔ)償，需要引入額外的補(bǔ)償機(jī)制。一種常見的方法是基于高階多項式擬合。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，VBE與溫度T的關(guān)系可以用以下多項式近似表示：V_{BE}(T)=V_{G0}(1-\frac{T}{T_{0}})+V_{BE0}(\frac{T}{T_{0}})+\etakT/q\ln(\frac{T}{T_{0}})其中，VG0是半導(dǎo)體材料在絕對零度時的帶隙電壓，T0是參考溫度，VBE0是在參考溫度T0時的VBE值，η是與晶體管結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)的常數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷量。從該公式可以看出，VBE與溫度的關(guān)系包含了線性項和非線性項。在設(shè)計帶隙基準(zhǔn)電壓源時，可以通過巧妙的電路設(shè)計，產(chǎn)生與這些非線性項相關(guān)的補(bǔ)償電壓，并將其與CTAT電壓和PTAT電壓進(jìn)行疊加。例如，通過設(shè)計一個與溫度的對數(shù)成正比的電壓源，將其作為補(bǔ)償電壓，與原有的CTAT電壓和PTAT電壓進(jìn)行加權(quán)組合。假設(shè)產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓為VC，其與溫度的對數(shù)關(guān)系可以表示為VC=K1ln(T)，其中K1為比例系數(shù)。則經(jīng)過曲率補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓VREF可以表示為：V_{REF}=V_{BE}+K\DeltaV_{BE}+K_{1}\ln(T)通過合理調(diào)整K和K1的值，使得在不同溫度下，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)最小化。在實際電路實現(xiàn)中，可以利用MOS管工作在亞閾值區(qū)域的特性來產(chǎn)生與溫度對數(shù)相關(guān)的補(bǔ)償電壓。當(dāng)MOS管工作在亞閾值區(qū)時，其漏極電流（ID）與柵源電壓（VGS）之間存在指數(shù)關(guān)系，通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，將ID與溫度相關(guān)聯(lián)，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換后，就可以得到與溫度對數(shù)成正比的電壓信號。將這個電壓信號作為補(bǔ)償電壓，與其他電壓進(jìn)行精確疊加，從而實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的曲率補(bǔ)償?；跀?shù)字校準(zhǔn)的溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)也是一種有效的實現(xiàn)方式。這種技術(shù)利用數(shù)字電路對溫度補(bǔ)償進(jìn)行精確控制。首先，通過溫度傳感器實時監(jiān)測帶隙基準(zhǔn)電壓源所處的環(huán)境溫度。溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號被送入數(shù)字處理器（如微控制器或數(shù)字信號處理器）中，在數(shù)字處理器中，預(yù)先存儲了根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)或理論計算得到的溫度-補(bǔ)償系數(shù)查找表。處理器根據(jù)當(dāng)前的溫度值，從查找表中讀取對應(yīng)的補(bǔ)償系數(shù)。這些補(bǔ)償系數(shù)用于調(diào)整數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出，DAC的輸出作為補(bǔ)償電壓，與帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出進(jìn)行疊加，實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的溫度曲率補(bǔ)償。由于數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)可以根據(jù)實際測量的溫度值進(jìn)行精確的補(bǔ)償，具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，能夠有效提高補(bǔ)償?shù)木群涂煽啃?。它還可以通過軟件算法對補(bǔ)償過程進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景和工藝偏差，進(jìn)一步提升帶隙基準(zhǔn)電壓源在復(fù)雜環(huán)境下的溫度穩(wěn)定性。2.31V工作電壓設(shè)計要點2.3.1低壓工作面臨挑戰(zhàn)在1V低電壓條件下，CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計面臨著諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)對其性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生了顯著影響。從功耗方面來看，低電壓工作使得電路中的電流密度受到限制。根據(jù)歐姆定律I=V/R，在1V的低電源電壓下，為了保證電路正常工作，電阻值不能過大，否則電流會過小，導(dǎo)致電路無法正常驅(qū)動負(fù)載。然而，減小電阻值又會帶來較大的功耗。在一些傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計中，為了實現(xiàn)精確的電壓和電流控制，通常會使用較大阻值的電阻，以確保電流鏡等電路的精度。但在1V低電壓下，若繼續(xù)采用這些較大阻值的電阻，會導(dǎo)致電流過小，無法滿足電路的工作需求；若減小電阻值，雖然能保證電流大小，但功耗會大幅增加。在某些基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的1V帶隙基準(zhǔn)電壓源中，由于電阻值的調(diào)整，功耗比在較高電源電壓下增加了50%以上，這對于便攜式電子設(shè)備等對功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景來說，是難以接受的。在穩(wěn)定性方面，低電壓工作使得電路對噪聲和干擾更加敏感。1V的低電源電壓意味著信號的動態(tài)范圍變小，噪聲和干擾信號相對更容易對電路產(chǎn)生影響。電源噪聲是一個常見的干擾源，在低電壓下，電源紋波的相對幅值增大，更容易耦合到帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出信號中，導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的波動增大。當(dāng)電源紋波為50mV時，在3V電源電壓下，其相對幅值為1.67%；而在1V電源電壓下，相對幅值則高達(dá)5%，這使得帶隙基準(zhǔn)電壓源的輸出基準(zhǔn)電壓更容易受到電源紋波的干擾，影響其穩(wěn)定性和精度。此外，電路中的寄生電容和電感在低電壓下也會對信號產(chǎn)生更大的影響。寄生電容會導(dǎo)致信號的延遲和失真，寄生電感則可能引發(fā)諧振等問題，進(jìn)一步降低電路的穩(wěn)定性。在一些采用先進(jìn)CMOS工藝的帶隙基準(zhǔn)電壓源中，由于器件尺寸的縮小，寄生電容和電感的影響更為顯著，使得電路在1V低電壓下的穩(wěn)定性面臨更大的挑戰(zhàn)。低電壓工作還對電路中的晶體管性能提出了更高的要求。在1V的低電源電壓下，晶體管的閾值電壓相對較高，導(dǎo)致其導(dǎo)通電阻增大，影響了電路的性能。閾值電壓的波動也會對電路產(chǎn)生更大的影響，因為在低電壓下，閾值電壓的微小變化就可能導(dǎo)致晶體管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)發(fā)生改變，從而影響整個電路的工作。在某些CMOS工藝中，晶體管的閾值電壓波動范圍為±50mV，在3V電源電壓下，這種波動對電路性能的影響相對較??；但在1V電源電壓下，閾值電壓的波動可能會導(dǎo)致晶體管的導(dǎo)通電流變化超過20%，嚴(yán)重影響帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能。低電壓下晶體管的跨導(dǎo)也會降低，使得電路的增益減小，進(jìn)一步影響了電路對信號的處理能力和穩(wěn)定性。2.3.2應(yīng)對策略與關(guān)鍵技術(shù)為了有效應(yīng)對1V低電壓下CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源面臨的挑戰(zhàn)，采用了一系列針對性的策略和關(guān)鍵技術(shù)。亞閾值技術(shù)是實現(xiàn)低電壓工作的重要手段之一。當(dāng)CMOS器件工作在亞閾值區(qū)域時，其漏極電流與柵源電壓之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，與傳統(tǒng)的飽和區(qū)工作方式不同。在亞閾值區(qū)，器件的功耗較低，能夠滿足低電壓下的低功耗設(shè)計要求。根據(jù)亞閾值電流公式I_{D}=I_{0}\left(\frac{W}{L}\right)\exp\left(\frac{V_{GS}-V_{TH}}{nV_{T}}\right)其中，ID為漏極電流，I0為與工藝相關(guān)的常數(shù)，W/L為器件的寬長比，VGS為柵源電壓，VTH為閾值電壓，n為與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，VT為熱電壓?？梢钥闯?，通過適當(dāng)調(diào)整VGS和器件參數(shù)，可以在較低的電源電壓下獲得所需的電流。在一些基于亞閾值技術(shù)設(shè)計的1V帶隙基準(zhǔn)電壓源中，通過精心設(shè)計電路，使部分CMOS器件工作在亞閾值區(qū)，成功將功耗降低了30%以上。亞閾值技術(shù)還可以減小器件的閾值電壓對電路性能的影響，因為在亞閾值區(qū)，漏極電流對閾值電壓的變化相對不敏感，提高了電路在低電壓下的穩(wěn)定性。優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)也是提高1V帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的關(guān)鍵。采用自偏壓共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡是一種有效的優(yōu)化方式。在傳統(tǒng)的電流鏡結(jié)構(gòu)中，電源電壓的變化會直接影響到電流鏡的輸出電流，從而影響帶隙基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性。而自偏壓共源共柵結(jié)構(gòu)通過引入額外的晶體管，將電源電壓的變化與電流鏡的輸出隔離開來，增強(qiáng)了對電源電壓變化的抑制能力。具體來說，在自偏壓共源共柵電流鏡中，輸入電流通過一個共源共柵結(jié)構(gòu)的晶體管對進(jìn)行復(fù)制，其中一個晶體管的柵極通過自偏壓電路連接到其漏極，形成一個負(fù)反饋回路。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時，自偏壓電路會自動調(diào)整晶體管的柵極電壓，使得電流鏡的輸出電流保持穩(wěn)定。在一些實際應(yīng)用中，采用自偏壓共源共柵結(jié)構(gòu)的電流鏡后，帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比在低頻段提高了20dB以上，有效抑制了電源噪聲對輸出基準(zhǔn)電壓的影響。在輸出端接入合適的濾波電容也是優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)的重要措施。濾波電容可以對高頻噪聲進(jìn)行濾波，進(jìn)一步降低輸出噪聲，提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。通過合理選擇濾波電容的類型和參數(shù)，如采用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容，并根據(jù)電路的工作頻率和噪聲特性確定電容值，可以有效地改善帶隙基準(zhǔn)電壓源的高頻性能。在某些設(shè)計中，在輸出端接入10nF的陶瓷電容后，輸出噪聲降低了50%以上，顯著提升了基準(zhǔn)電壓的純凈度。三、1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計3.1總體設(shè)計架構(gòu)3.1.1系統(tǒng)組成模塊本設(shè)計的1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源主要由核心電路、啟動電路、偏置電路等多個關(guān)鍵模塊協(xié)同組成，每個模塊都在實現(xiàn)穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓輸出的過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。核心電路是帶隙基準(zhǔn)電壓源的關(guān)鍵部分，它主要基于雙極型晶體管（BJT）和CMOS器件構(gòu)建。核心電路利用BJT的基極-發(fā)射極電壓（VBE）的負(fù)溫度系數(shù)特性，以及通過不同電流密度下BJT產(chǎn)生的與絕對溫度成正比（PTAT）的電壓特性。通過巧妙設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，將這兩種具有相反溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行精確加權(quán)疊加。在核心電路中，通常會采用運算放大器來實現(xiàn)精確的電壓比較和反饋控制。運算放大器的正輸入端連接到一個產(chǎn)生PTAT電壓的節(jié)點，負(fù)輸入端連接到一個產(chǎn)生與VBE相關(guān)電壓的節(jié)點。運算放大器的輸出信號用于控制電流鏡電路，以精確調(diào)節(jié)流過BJT的電流，從而確保VBE和PTAT電壓的比例關(guān)系穩(wěn)定，實現(xiàn)高精度的基準(zhǔn)電壓輸出。核心電路還包含一些電阻和電容元件，電阻用于調(diào)節(jié)電流大小和實現(xiàn)電壓分配，電容則用于濾波和穩(wěn)定電路的動態(tài)性能。通過合理選擇電阻和電容的參數(shù)，可以優(yōu)化核心電路的頻率響應(yīng)，減少噪聲對基準(zhǔn)電壓的影響。啟動電路在帶隙基準(zhǔn)電壓源中起著至關(guān)重要的作用，它確保電路在加電時能夠迅速、可靠地進(jìn)入正常工作狀態(tài)。由于帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心電路存在多個穩(wěn)定狀態(tài)，在加電初期，電路可能會陷入非預(yù)期的穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致無法正常啟動。啟動電路通過在加電瞬間提供一個額外的激勵信號，打破電路的初始平衡，使電路能夠順利進(jìn)入正常工作狀態(tài)。常見的啟動電路設(shè)計采用反相器和開關(guān)管組成的邏輯電路。當(dāng)電源電壓接通時，啟動電路中的反相器輸出一個高電平信號，使開關(guān)管導(dǎo)通，向核心電路注入一個啟動電流。隨著核心電路逐漸進(jìn)入正常工作狀態(tài)，其輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定值，此時啟動電路檢測到核心電路的正常工作信號，通過邏輯控制使開關(guān)管截止，啟動電路停止工作，避免對核心電路的正常運行產(chǎn)生干擾。偏置電路為核心電路和其他模塊提供穩(wěn)定的偏置電流和電壓，確保各個器件能夠在合適的工作點上工作。偏置電路通常基于電流鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過一個參考電流源產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電流，然后利用電流鏡將參考電流復(fù)制到各個需要偏置的電路模塊中。在設(shè)計偏置電路時，需要考慮其溫度穩(wěn)定性和電源抑制比。為了提高溫度穩(wěn)定性，可以采用與核心電路相同的溫度補(bǔ)償技術(shù)，使偏置電流和電壓在不同溫度下保持穩(wěn)定。在提高電源抑制比方面，通過采用自偏壓共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡，可以有效隔離電源電壓的波動對偏置電流的影響。自偏壓共源共柵結(jié)構(gòu)中的額外晶體管能夠?qū)㈦娫措妷旱淖兓c電流鏡的輸出隔離開來，增強(qiáng)了偏置電路對電源電壓變化的抑制能力，從而為整個帶隙基準(zhǔn)電壓源提供穩(wěn)定的偏置條件。3.1.2模塊間協(xié)同工作機(jī)制在1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中，各模塊之間緊密協(xié)同工作，共同實現(xiàn)穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓的輸出。當(dāng)電源接通時，啟動電路首先發(fā)揮作用。啟動電路中的邏輯電路檢測到電源電壓的上升沿，輸出一個高電平信號，使啟動開關(guān)管導(dǎo)通。啟動開關(guān)管向核心電路注入一個啟動電流，打破核心電路的初始平衡狀態(tài)。隨著啟動電流的注入，核心電路開始工作，其中的運算放大器對輸入的電壓信號進(jìn)行比較和放大。運算放大器的正輸入端連接到產(chǎn)生PTAT電壓的節(jié)點，負(fù)輸入端連接到產(chǎn)生與VBE相關(guān)電壓的節(jié)點。運算放大器根據(jù)兩個輸入端的電壓差，輸出一個控制信號，用于調(diào)節(jié)電流鏡電路的工作狀態(tài)。電流鏡電路根據(jù)運算放大器的控制信號，精確調(diào)整流過雙極型晶體管（BJT）的電流，使BJT工作在合適的電流密度下，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的PTAT電壓和與VBE相關(guān)的電壓。通過精確控制這兩種電壓的比例關(guān)系，核心電路逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出。隨著核心電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)，其輸出的基準(zhǔn)電壓逐漸穩(wěn)定。此時，啟動電路檢測到核心電路的正常工作信號，通過邏輯控制使啟動開關(guān)管截止，啟動電路停止工作，避免對核心電路的正常運行產(chǎn)生干擾。偏置電路在整個過程中持續(xù)為核心電路和其他模塊提供穩(wěn)定的偏置電流和電壓。偏置電路中的電流鏡根據(jù)參考電流源產(chǎn)生的穩(wěn)定參考電流，將其復(fù)制到各個需要偏置的電路模塊中。由于采用了自偏壓共源共柵結(jié)構(gòu)的電流鏡，偏置電路能夠有效抑制電源電壓的波動對偏置電流的影響，為核心電路和其他模塊提供穩(wěn)定的工作條件。在核心電路中，穩(wěn)定的偏置電流確保了運算放大器、電流鏡和BJT等器件能夠在合適的工作點上工作，保證了PTAT電壓和與VBE相關(guān)電壓的精確產(chǎn)生和控制。偏置電路還為啟動電路提供必要的偏置條件，確保啟動電路在需要時能夠正常工作。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，核心電路中的溫度補(bǔ)償機(jī)制開始發(fā)揮作用。由于BJT的VBE電壓和PTAT電壓都與溫度密切相關(guān)，核心電路通過引入溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)，對溫度變化進(jìn)行精確補(bǔ)償?；诟唠A多項式擬合的溫度曲率補(bǔ)償電路會根據(jù)溫度的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，并將其與原有的PTAT電壓和與VBE相關(guān)的電壓進(jìn)行疊加。通過合理調(diào)整補(bǔ)償電壓的大小和比例，核心電路能夠有效減小基準(zhǔn)電壓隨溫度的漂移，實現(xiàn)更寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出。在這個過程中，偏置電路的溫度穩(wěn)定性也起到了重要作用。由于偏置電路采用了與核心電路相同的溫度補(bǔ)償技術(shù)，其提供的偏置電流和電壓在溫度變化時保持穩(wěn)定，確保了核心電路中的各個器件在不同溫度下都能正常工作，為溫度補(bǔ)償機(jī)制的有效運行提供了保障。3.2核心電路設(shè)計3.2.1基于亞閾值技術(shù)的設(shè)計思路為了滿足1V工作電壓的要求并有效降低功耗，本設(shè)計采用了亞閾值技術(shù)，使帶隙核心電路中的某些MOS管工作在亞閾值區(qū)。當(dāng)MOS管工作在亞閾值區(qū)時，其漏極電流（ID）與柵源電壓（VGS）之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，而非傳統(tǒng)飽和區(qū)的平方律關(guān)系。根據(jù)亞閾值電流公式I_{D}=I_{0}\left(\frac{W}{L}\right)\exp\left(\frac{V_{GS}-V_{TH}}{nV_{T}}\right)其中，I0為與工藝相關(guān)的常數(shù)，W/L為器件的寬長比，VTH為閾值電壓，n為與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，VT為熱電壓。在1V低電源電壓下，通過適當(dāng)調(diào)整VGS和器件的寬長比等參數(shù)，可以在較低的柵源電壓下獲得所需的電流，從而滿足電路的工作需求。與傳統(tǒng)工作在飽和區(qū)的MOS管相比，亞閾值工作的MOS管功耗更低。在相同的電流需求下，工作在飽和區(qū)的MOS管需要較大的柵源電壓，根據(jù)功耗公式P=IV，這會導(dǎo)致較大的功耗。而工作在亞閾值區(qū)的MOS管，由于其漏極電流對柵源電壓的指數(shù)依賴關(guān)系，在較低的柵源電壓下就能產(chǎn)生所需電流，從而有效降低了功耗。在一些基于亞閾值技術(shù)設(shè)計的1V帶隙基準(zhǔn)電壓源中，通過使關(guān)鍵的MOS管工作在亞閾值區(qū)，成功將功耗降低了30%以上。亞閾值技術(shù)還可以減小器件的閾值電壓對電路性能的影響。在1V低電壓下，閾值電壓的波動對電路性能的影響更為顯著。然而，在亞閾值區(qū)，漏極電流對閾值電壓的變化相對不敏感。當(dāng)閾值電壓發(fā)生一定變化時，由于漏極電流與閾值電壓呈指數(shù)關(guān)系，這種變化對漏極電流的影響較小，從而使得電路在低電壓下的穩(wěn)定性得到提高。在實際應(yīng)用中，即使閾值電壓存在±50mV的波動，工作在亞閾值區(qū)的MOS管組成的電路，其性能受影響程度相比工作在飽和區(qū)的MOS管電路要小得多，有效保障了1V帶隙基準(zhǔn)電壓源在低電壓下的穩(wěn)定工作。3.2.2電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計核心電路的具體結(jié)構(gòu)主要由雙極型晶體管（BJT）、CMOS器件、電阻和電容等元件組成。如圖[具體圖號]所示，核心電路中包含兩個雙極型晶體管Q1和Q2，它們的發(fā)射極面積不同，分別為S1和S2。通過電流鏡電路為Q1和Q2提供不同的集電極電流I1和I2。由于Q1和Q2工作在不同的電流密度下，它們的基極-發(fā)射極電壓差（ΔVBE）與絕對溫度成正比，具有正溫度系數(shù)。\DeltaV_{BE}=V_{T}\ln\left(\frac{I_{1}S_{2}}{I_{2}S_{1}}\right)其中，VT=kT/q，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量。在本設(shè)計中，通過合理設(shè)計電流鏡電路的參數(shù)，使得I1和I2滿足特定的比例關(guān)系，以產(chǎn)生合適的ΔVBE。假設(shè)I1=2I2，S2=3S1，在室溫下，根據(jù)上述公式可計算得到ΔVBE約為18mV。Q1的基極-發(fā)射極電壓（VBE1）具有負(fù)溫度系數(shù)，其與溫度的關(guān)系可近似表示為V_{BE1}(T)=V_{G0}(1-\frac{T}{T_{0}})+V_{BE0}(\frac{T}{T_{0}})+\etakT/q\ln(\frac{T}{T_{0}})其中，VG0是半導(dǎo)體材料在絕對零度時的帶隙電壓，T0是參考溫度，VBE0是在參考溫度T0時的VBE值，η是與晶體管結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)的常數(shù)。在本設(shè)計中，采用的半導(dǎo)體材料為硅，VG0約為1.205V，T0取室溫298K，VBE0約為0.7V，η約為3。通過這些參數(shù)，可以計算出不同溫度下VBE1的值。在100℃時，根據(jù)公式計算得到VBE1約為0.63V。運算放大器在核心電路中起著關(guān)鍵的反饋控制作用。運算放大器的正輸入端連接到產(chǎn)生ΔVBE的節(jié)點，負(fù)輸入端連接到產(chǎn)生VBE1的節(jié)點。運算放大器的輸出信號用于控制電流鏡電路，以精確調(diào)節(jié)流過Q1和Q2的電流，從而確保VBE1和ΔVBE的比例關(guān)系穩(wěn)定，實現(xiàn)高精度的基準(zhǔn)電壓輸出。假設(shè)運算放大器的開環(huán)增益為100dB，輸入失調(diào)電壓為1mV，當(dāng)輸入信號的差值為10mV時，根據(jù)運算放大器的特性，其輸出信號的變化量為10mV×10^5=1V（100dB對應(yīng)的增益倍數(shù)為10^5）。這個輸出信號的變化會通過電流鏡電路反饋到Q1和Q2的偏置電流上，進(jìn)而調(diào)整VBE1和ΔVBE的大小，使基準(zhǔn)電壓保持穩(wěn)定。在核心電路中，還包含多個電阻和電容元件。電阻R1和R2用于調(diào)節(jié)電流大小和實現(xiàn)電壓分配。根據(jù)歐姆定律I=V/R，通過合理選擇R1和R2的阻值，可以精確控制流過Q1和Q2的電流。假設(shè)需要為Q1提供10μA的電流，而其兩端的電壓差為0.1V，則根據(jù)歐姆定律可計算出R1的阻值應(yīng)為R1=0.1V/10μA=10kΩ。電容C1和C2用于濾波和穩(wěn)定電路的動態(tài)性能。C1主要用于濾除高頻噪聲，其電容值的選擇需要根據(jù)電路的工作頻率和噪聲特性來確定。在本設(shè)計中，C1選擇為10nF，對于高頻噪聲具有較好的濾波效果。C2用于穩(wěn)定電路的輸出電壓，防止電壓波動，其電容值為1μF，能夠有效提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。通過這些關(guān)鍵節(jié)點電壓、電流的分析以及參數(shù)的計算與設(shè)計，確保了核心電路能夠在1V電源電壓下穩(wěn)定工作，實現(xiàn)高精度、低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓輸出。3.3溫度曲率補(bǔ)償電路設(shè)計3.3.1PTAT電壓與CTAT電壓產(chǎn)生電路設(shè)計PTAT電壓產(chǎn)生電路是實現(xiàn)溫度曲率補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵部分之一，其結(jié)構(gòu)設(shè)計基于雙極型晶體管（BJT）的特性。常見的PTAT電壓產(chǎn)生電路利用兩個發(fā)射極面積不同的BJT，在不同的電流密度下工作，從而產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓差。具體電路結(jié)構(gòu)如圖[PTAT電壓產(chǎn)生電路原理圖的圖號]所示，包含兩個BJTQ1和Q2，以及相關(guān)的電阻和電流鏡電路。假設(shè)Q2的發(fā)射極面積是Q1的N倍，通過電流鏡為Q1和Q2提供不同的集電極電流I1和I2。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，它們的基極-發(fā)射極電壓差（ΔVBE）為\DeltaV_{BE}=V_{T}\ln\left(\frac{I_{1}N}{I_{2}}\right)其中，VT=kT/q，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量。從公式可以明顯看出，ΔVBE與絕對溫度T成正比，具有正溫度系數(shù)。在室溫下，當(dāng)I1=2I2，N=3時，通過計算可得ΔVBE約為18mV。在實際設(shè)計中，需要精確選擇電流鏡的參數(shù)以及BJT的發(fā)射極面積比，以確保產(chǎn)生的PTAT電壓滿足設(shè)計要求。電流鏡的精度會直接影響到I1和I2的比例關(guān)系，進(jìn)而影響PTAT電壓的準(zhǔn)確性。采用高精度的電流鏡結(jié)構(gòu)，如自偏壓共源共柵（cascode）電流鏡，可以有效提高電流復(fù)制的精度，減少電流誤差對PTAT電壓的影響。CTAT電壓產(chǎn)生電路則主要基于BJT的基極-發(fā)射極電壓（VBE）特性。BJT的VBE具有負(fù)溫度系數(shù)，在室溫附近，其溫度系數(shù)約為-2.2mV/℃。CTAT電壓產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu)相對簡單，通常由一個BJT和相關(guān)的偏置電阻組成。如圖[CTAT電壓產(chǎn)生電路原理圖的圖號]所示，BJTQ3在合適的偏置電流下工作，其基極-發(fā)射極之間的電壓VBE3即為CTAT電壓。V_{BE3}(T)=V_{G0}(1-\frac{T}{T_{0}})+V_{BE0}(\frac{T}{T_{0}})+\etakT/q\ln(\frac{T}{T_{0}})其中，VG0是半導(dǎo)體材料在絕對零度時的帶隙電壓，對于硅材料，VG0約為1.205V；T0是參考溫度，通常取室溫298K；VBE0是在參考溫度T0時的VBE值，約為0.7V；η是與晶體管結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)的常數(shù)，一般取值在3左右。在實際應(yīng)用中，需要考慮BJT的工藝偏差和溫度變化對VBE3的影響。由于半導(dǎo)體制造工藝的不確定性，不同批次生產(chǎn)的BJT，其VBE特性會存在一定的偏差。為了減小這種偏差對CTAT電壓的影響，可以采用一些校準(zhǔn)技術(shù)，如在芯片制造完成后，通過對VBE3進(jìn)行測量和校準(zhǔn)，調(diào)整相關(guān)的偏置電阻，以確保CTAT電壓的準(zhǔn)確性。還需要注意溫度變化對偏置電阻的影響，選擇溫度系數(shù)較小的電阻材料，或者采用溫度補(bǔ)償?shù)碾娮杞Y(jié)構(gòu)，以保證CTAT電壓在不同溫度下的穩(wěn)定性。3.3.2補(bǔ)償算法與電路實現(xiàn)基于PTAT電壓和CTAT電壓實現(xiàn)溫度曲率補(bǔ)償?shù)乃惴ê诵脑谟趯@兩種電壓進(jìn)行精確的加權(quán)疊加，并引入與溫度相關(guān)的非線性補(bǔ)償項。根據(jù)前文所述，CTAT電壓（如雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE）具有負(fù)溫度系數(shù)，PTAT電壓（如兩個不同電流密度下雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓差ΔVBE）具有正溫度系數(shù)。在傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源中，通過簡單的加權(quán)相加實現(xiàn)了一階溫度補(bǔ)償，然而這種方式無法完全消除基準(zhǔn)電壓-溫度曲線的曲率。為了實現(xiàn)更精確的曲率補(bǔ)償，采用基于高階多項式擬合的方法。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，VBE與溫度T的關(guān)系可以用以下多項式近似表示：V_{BE}(T)=V_{G0}(1-\frac{T}{T_{0}})+V_{BE0}(\frac{T}{T_{0}})+\etakT/q\ln(\frac{T}{T_{0}})其中包含了線性項和非線性項。在設(shè)計帶隙基準(zhǔn)電壓源時，通過巧妙的電路設(shè)計，產(chǎn)生與這些非線性項相關(guān)的補(bǔ)償電壓。例如，通過設(shè)計一個與溫度的對數(shù)成正比的電壓源，將其作為補(bǔ)償電壓VC。假設(shè)產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓為VC=K1ln(T)，其中K1為比例系數(shù)。則經(jīng)過曲率補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓VREF可以表示為：V_{REF}=V_{BE}+K\DeltaV_{BE}+K_{1}\ln(T)通過合理調(diào)整K和K1的值，使得在不同溫度下，基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)最小化。在實際電路實現(xiàn)中，利用MOS管工作在亞閾值區(qū)域的特性來產(chǎn)生與溫度對數(shù)相關(guān)的補(bǔ)償電壓。當(dāng)MOS管工作在亞閾值區(qū)時，其漏極電流（ID）與柵源電壓（VGS）之間存在指數(shù)關(guān)系，通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，將ID與溫度相關(guān)聯(lián)，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換后，就可以得到與溫度對數(shù)成正比的電壓信號。具體的補(bǔ)償電路實現(xiàn)方式如圖[補(bǔ)償電路原理圖的圖號]所示。在該電路中，首先通過PTAT電壓產(chǎn)生電路和CTAT電壓產(chǎn)生電路分別生成PTAT電壓和CTAT電壓。PTAT電壓產(chǎn)生電路利用兩個發(fā)射極面積不同的雙極型晶體管Q1和Q2，通過電流鏡提供不同的集電極電流，從而產(chǎn)生與絕對溫度成正比的基極-發(fā)射極電壓差ΔVBE。CTAT電壓產(chǎn)生電路則由單個雙極型晶體管Q3產(chǎn)生具有負(fù)溫度系數(shù)的基極-發(fā)射極電壓VBE3。為了產(chǎn)生與溫度對數(shù)相關(guān)的補(bǔ)償電壓，利用MOS管M1和M2工作在亞閾值區(qū)。通過設(shè)計偏置電路，使M1和M2的漏極電流與溫度相關(guān)，經(jīng)過電阻R1和R2轉(zhuǎn)換后，得到與溫度對數(shù)成正比的電壓信號VC。運算放大器將PTAT電壓、CTAT電壓和補(bǔ)償電壓VC進(jìn)行精確疊加。運算放大器的正輸入端連接到產(chǎn)生PTAT電壓和補(bǔ)償電壓的節(jié)點，負(fù)輸入端連接到產(chǎn)生CTAT電壓的節(jié)點。運算放大器根據(jù)兩個輸入端的電壓差，輸出一個控制信號，用于調(diào)節(jié)電流鏡電路，以精確調(diào)整流過雙極型晶體管的電流，從而確保PTAT電壓、CTAT電壓和補(bǔ)償電壓的比例關(guān)系穩(wěn)定，實現(xiàn)高精度的溫度曲率補(bǔ)償，使基準(zhǔn)電壓在寬溫度范圍內(nèi)保持高度穩(wěn)定。3.4啟動電路與偏置電路設(shè)計3.4.1啟動電路設(shè)計啟動電路在1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中起著至關(guān)重要的作用。由于帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心電路存在多個穩(wěn)定狀態(tài)，在加電初期，電路可能會陷入非預(yù)期的穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致無法正常啟動。啟動電路的作用就是在電源接通時，提供一個額外的激勵信號，打破電路的初始平衡，使電路能夠迅速、可靠地進(jìn)入正常工作狀態(tài)。本設(shè)計采用的啟動電路基于反相器和開關(guān)管組成的邏輯電路。具體電路結(jié)構(gòu)如圖[啟動電路原理圖的圖號]所示，啟動電路主要由反相器U1、開關(guān)管M1以及相關(guān)的電阻和電容組成。當(dāng)電源電壓VDD接通時，電容C1兩端的電壓不能突變，此時反相器U1的輸入端為低電平，根據(jù)反相器的特性，其輸出端為高電平。這個高電平信號使開關(guān)管M1導(dǎo)通，M1的導(dǎo)通為核心電路注入一個啟動電流。隨著啟動電流的注入，核心電路開始工作，其中的運算放大器對輸入的電壓信號進(jìn)行比較和放大，逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出。當(dāng)核心電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，其輸出的基準(zhǔn)電壓達(dá)到穩(wěn)定值。此時，啟動電路通過檢測核心電路的輸出信號，判斷電路是否已正常啟動。在本設(shè)計中，通過一個電阻分壓器將核心電路的輸出基準(zhǔn)電壓分壓后，連接到反相器U1的輸入端。當(dāng)基準(zhǔn)電壓達(dá)到穩(wěn)定值時，反相器U1輸入端的電壓也達(dá)到一定值，使反相器U1的輸出變?yōu)榈碗娖?，從而使開關(guān)管M1截止。開關(guān)管M1的截止切斷了啟動電路與核心電路之間的連接，啟動電路停止工作，避免對核心電路的正常運行產(chǎn)生干擾。為了確保啟動電路的可靠性，在設(shè)計過程中需要合理選擇反相器的閾值電壓、開關(guān)管的導(dǎo)通電阻以及電阻和電容的參數(shù)。反相器的閾值電壓應(yīng)根據(jù)核心電路的工作電壓和信號電平進(jìn)行精確設(shè)置，以保證在核心電路正常工作時，反相器能夠準(zhǔn)確地檢測到信號并控制開關(guān)管的狀態(tài)。開關(guān)管的導(dǎo)通電阻應(yīng)足夠小，以確保在啟動過程中能夠為核心電路提供足夠的啟動電流；同時，其截止電阻應(yīng)足夠大，以避免在啟動電路停止工作后對核心電路產(chǎn)生漏電流影響。電阻和電容的參數(shù)也需要根據(jù)電路的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化。電容C1的大小會影響啟動電路的響應(yīng)時間，較大的電容會使啟動時間變長，但能提供更穩(wěn)定的啟動信號；較小的電容則能使啟動電路更快地響應(yīng)，但可能會導(dǎo)致啟動信號的穩(wěn)定性下降。通過反復(fù)仿真和優(yōu)化，在本設(shè)計中，選擇電容C1為10pF，既能保證啟動電路的快速響應(yīng)，又能確保啟動信號的穩(wěn)定性。電阻R1和R2的阻值則根據(jù)反相器的輸入特性和開關(guān)管的驅(qū)動要求進(jìn)行選擇，以實現(xiàn)最佳的啟動效果。3.4.2偏置電路設(shè)計偏置電路的主要作用是為1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中的其他模塊，如核心電路、溫度曲率補(bǔ)償電路和啟動電路等，提供穩(wěn)定的偏置電流和電壓，確保各個器件能夠在合適的工作點上工作，從而保證整個帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能和穩(wěn)定性。本設(shè)計中的偏置電路基于電流鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計。電流鏡是一種常用的電路結(jié)構(gòu)，它能夠精確地復(fù)制輸入電流，并將其輸出到其他電路模塊中。偏置電路的基本結(jié)構(gòu)如圖[偏置電路原理圖的圖號]所示，主要由參考電流源IREF、多個PMOS管（M1-M4）和電阻R組成。參考電流源IREF產(chǎn)生一個穩(wěn)定的參考電流，這個參考電流通過PMOS管M1和M2組成的電流鏡結(jié)構(gòu)，被精確地復(fù)制到M3和M4的漏極，為其他模塊提供偏置電流。在設(shè)計偏置電路時，需要重點考慮其溫度穩(wěn)定性和電源抑制比。為了提高溫度穩(wěn)定性，本設(shè)計采用了與核心電路相同的溫度補(bǔ)償技術(shù)。通過在偏置電路中引入與溫度相關(guān)的元件，如采用具有溫度補(bǔ)償特性的電阻或利用與絕對溫度成正比（PTAT）和與絕對溫度成反比（CTAT）的電壓特性，使偏置電流和電壓在不同溫度下保持穩(wěn)定。在本設(shè)計中，參考電流源IREF采用了基于帶隙基準(zhǔn)原理的電流源，利用PTAT電流和CTAT電流的疊加，產(chǎn)生一個與溫度無關(guān)的穩(wěn)定參考電流。通過合理設(shè)計電路參數(shù)，使參考電流在-40℃至125℃的寬溫度范圍內(nèi)，變化量小于1%，有效保證了偏置電流的溫度穩(wěn)定性。提高偏置電路的電源抑制比也是設(shè)計中的關(guān)鍵。電源抑制比（PSRR）衡量的是電路對電源電壓波動的抑制能力，高的電源抑制比可以有效隔離電源電壓的波動對偏置電流的影響，為其他模塊提供穩(wěn)定的工作條件。為了提高電源抑制比，本設(shè)計采用了自偏壓共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡。在自偏壓共源共柵電流鏡中，額外增加了一個共源共柵晶體管，將電源電壓的變化與電流鏡的輸出隔離開來。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時，自偏壓電路會自動調(diào)整共源共柵晶體管的柵極電壓，使得電流鏡的輸出電流保持穩(wěn)定。在實際應(yīng)用中，采用自偏壓共源共柵結(jié)構(gòu)的電流鏡后，偏置電路的電源抑制比在低頻段提高了20dB以上，有效抑制了電源噪聲對偏置電流的影響，為整個帶隙基準(zhǔn)電壓源提供了更加穩(wěn)定的偏置條件。四、電路性能分析與仿真驗證4.1性能指標(biāo)分析4.1.1溫度系數(shù)溫度系數(shù)是衡量1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它直觀地反映了基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的敏感程度。其定義為在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時，基準(zhǔn)電壓的相對變化量，通常以ppm/℃（百萬分之一每攝氏度）作為單位進(jìn)行表示。例如，一個帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)為5ppm/℃，這意味著當(dāng)溫度變化100℃時，基準(zhǔn)電壓的變化量為5ppm/℃×100℃=500ppm，即基準(zhǔn)電壓相對初始值變化了0.05%。較低的溫度系數(shù)表明基準(zhǔn)電壓源對溫度變化的敏感度較低，在不同溫度環(huán)境下能夠保持更穩(wěn)定的輸出，從而為其他電路模塊提供更可靠的基準(zhǔn)電壓。對于1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源而言，精確控制溫度系數(shù)至關(guān)重要。在實際應(yīng)用中，電子設(shè)備往往會面臨各種不同的溫度環(huán)境，如便攜式電子設(shè)備在冬季戶外的低溫環(huán)境和夏季室內(nèi)的高溫環(huán)境下使用，工業(yè)設(shè)備在高溫的生產(chǎn)車間或寒冷的倉庫中運行等。如果基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)過大，基準(zhǔn)電壓會隨溫度發(fā)生顯著變化，這將嚴(yán)重影響整個電路系統(tǒng)的性能。在高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）中，基準(zhǔn)電壓的溫度漂移會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)誤差，降低轉(zhuǎn)換精度；在射頻通信電路中，不穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓會影響信號的調(diào)制和解調(diào)，增加誤碼率，降低通信質(zhì)量。因此，降低溫度系數(shù)是提高帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的關(guān)鍵任務(wù)之一。為了實現(xiàn)低溫度系數(shù)的目標(biāo)，本設(shè)計采用了基于高階多項式擬合的溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)。通過深入研究雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓（VBE）以及與絕對溫度成正比（PTAT）的電壓與溫度的復(fù)雜關(guān)系，利用半導(dǎo)體物理理論中VBE與溫度的多項式近似表達(dá)式V_{BE}(T)=V_{G0}(1-\frac{T}{T_{0}})+V_{BE0}(\frac{T}{T_{0}})+\etakT/q\ln(\frac{T}{T_{0}})其中，VG0是半導(dǎo)體材料在絕對零度時的帶隙電壓，T0是參考溫度，VBE0是在參考溫度T0時的VBE值，η是與晶體管結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)的常數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷量。通過精心設(shè)計電路，產(chǎn)生與這些非線性項相關(guān)的補(bǔ)償電壓，并將其與PTAT電壓和CTAT電壓（如VBE）進(jìn)行精確疊加。通過合理調(diào)整補(bǔ)償電壓的大小和比例，有效減小了基準(zhǔn)電壓隨溫度的漂移，實現(xiàn)了更寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定輸出。在實際電路實現(xiàn)中，利用MOS管工作在亞閾值區(qū)域的特性來產(chǎn)生與溫度對數(shù)相關(guān)的補(bǔ)償電壓，經(jīng)過電阻轉(zhuǎn)換后，得到與溫度對數(shù)成正比的電壓信號，與其他電壓進(jìn)行精確疊加，從而顯著降低了溫度系數(shù)。在-40℃至125℃的寬溫度范圍內(nèi)，通過本設(shè)計的溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)，成功將溫度系數(shù)控制在小于10ppm/℃的水平，有效提高了基準(zhǔn)電壓源在不同溫度條件下的穩(wěn)定性和可靠性。4.1.2電源抑制比電源抑制比（PSRR）是評估1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的另一個重要指標(biāo)，它反映了基準(zhǔn)電壓源對電源電壓波動的抑制能力。其定義為電源電壓變化量與由此引起的基準(zhǔn)電壓變化量之比，通常用分貝（dB）來表示。數(shù)學(xué)表達(dá)式為PSRR=20\log_{10}\left(\frac{\DeltaV_{DD}}{\DeltaV_{REF}}\right)其中，ΔVDD是電源電壓的變化量，ΔVREF是基準(zhǔn)電壓的變化量。較高的電源抑制比意味著當(dāng)電源電壓發(fā)生波動時，基準(zhǔn)電壓源能夠有效地抑制這種波動對基準(zhǔn)電壓輸出的影響，保持基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定。例如，一個電源抑制比為80dB的帶隙基準(zhǔn)電壓源，當(dāng)電源電壓變化1V時，基準(zhǔn)電壓的變化量僅為1mV，說明其對電源電壓波動具有很強(qiáng)的抑制能力。在實際的電子系統(tǒng)中，電源電壓往往會存在一定的波動，這些波動可能來源于電源本身的不穩(wěn)定性、其他電路模塊對電源的干擾等。如果帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比過低，電源電壓的波動會直接耦合到基準(zhǔn)電壓輸出端，導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓出現(xiàn)波動，進(jìn)而影響整個電路系統(tǒng)的性能。在高精度的模擬電路中，如精密測量儀器、音頻放大器等，不穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓會引入噪聲和誤差，降低測量精度和信號質(zhì)量；在數(shù)字電路中，雖然對基準(zhǔn)電壓的精度要求相對較低，但電源抑制比不足也可能導(dǎo)致電路工作異常，出現(xiàn)誤碼、邏輯錯誤等問題。因此，提高電源抑制比對于保證帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能和整個電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。為了提高1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比，本設(shè)計采用了多種有效的方法。在電路結(jié)構(gòu)上，采用了自偏壓共源共柵（cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡。自偏壓共源共柵結(jié)構(gòu)通過引入額外的晶體管，將電源電壓的變化與電流鏡的輸出隔離開來，增強(qiáng)了對電源電壓變化的抑制能力。當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時，自偏壓電路會自動調(diào)整晶體管的柵極電壓，使得電流鏡的輸出電流保持穩(wěn)定，從而減小電源電壓波動對基準(zhǔn)電壓的影響。在一些實際應(yīng)用中，采用自偏壓共源共柵結(jié)構(gòu)的電流鏡后，帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制比在低頻段提高了20dB以上。在輸出端接入合適的濾波電容也是提高電源抑制比的重要措施。濾波電容可以對高頻噪聲進(jìn)行濾波，進(jìn)一步降低電源電壓波動對基準(zhǔn)電壓的影響。通過合理選擇濾波電容的類型和參數(shù)，如采用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的陶瓷電容，并根據(jù)電路的工作頻率和噪聲特性確定電容值，可以有效地改善帶隙基準(zhǔn)電壓源的高頻性能。在某些設(shè)計中，在輸出端接入10nF的陶瓷電容后，電源抑制比在高頻段得到了顯著提升，有效抑制了高頻電源噪聲對基準(zhǔn)電壓的干擾。4.1.3功耗功耗是1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的一個關(guān)鍵性能指標(biāo)，它直接關(guān)系到整個電路系統(tǒng)的能耗和電池使用壽命。在現(xiàn)代電子設(shè)備中，尤其是便攜式電子設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等，對功耗的要求越來越嚴(yán)格。這些設(shè)備通常依靠電池供電，為了延長設(shè)備的使用時間，降低功耗成為了設(shè)計中的重要目標(biāo)。對于帶隙基準(zhǔn)電壓源而言，功耗主要來源于電路中的各種有源器件和無源器件。有源器件如雙極型晶體管（BJT）、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等，在工作時會消耗一定的電能；無源器件如電阻、電容等，雖然本身不消耗能量，但它們在電路中會影響電流的大小和分布，從而間接影響功耗。在帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心電路中，BJT和MOSFET用于產(chǎn)生和控制基準(zhǔn)電壓，它們的工作電流和電壓會決定功耗的大小。如果這些器件的工作電流過大，或者工作電壓過高，都會導(dǎo)致功耗增加。電阻用于調(diào)節(jié)電流大小和實現(xiàn)電壓分配，其阻值的選擇也會影響功耗。較小的電阻值會導(dǎo)致電流增大，從而增加功耗；而較大的電阻值雖然可以減小電流，但可能會影響電路的性能。為了降低1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的功耗，本設(shè)計采用了一系列針對性的策略和技術(shù)。采用亞閾值技術(shù)是降低功耗的重要手段之一。使帶隙核心電路中的某些MOS管工作在亞閾值區(qū)，當(dāng)MOS管工作在亞閾值區(qū)時，其漏極電流（ID）與柵源電壓（VGS）之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，而非傳統(tǒng)飽和區(qū)的平方律關(guān)系。根據(jù)亞閾值電流公式I_{D}=I_{0}\left(\frac{W}{L}\right)\exp\left(\frac{V_{GS}-V_{TH}}{nV_{T}}\right)其中，I0為與工藝相關(guān)的常數(shù)，W/L為器件的寬長比，VTH為閾值電壓，n為與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)，VT為熱電壓。在1V低電源電壓下，通過適當(dāng)調(diào)整VGS和器件的寬長比等參數(shù)，可以在較低的柵源電壓下獲得所需的電流，從而滿足電路的工作需求，同時有效降低了功耗。在一些基于亞閾值技術(shù)設(shè)計的1V帶隙基準(zhǔn)電壓源中，通過使關(guān)鍵的MOS管工作在亞閾值區(qū)，成功將功耗降低了30%以上。優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)也是降低功耗的關(guān)鍵。通過合理設(shè)計電路，減少不必要的器件和電路分支，避免電流的冗余流動，從而降低功耗。在偏置電路中，采用高效的電流鏡結(jié)構(gòu)，精確地復(fù)制參考電流，減少電流的浪費，進(jìn)一步降低了整個帶隙基準(zhǔn)電壓源的功耗。在本設(shè)計中，通過采用上述降低功耗的設(shè)計策略和技術(shù)，成功將功耗降低至微瓦量級，如5μW以下，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對低功耗的嚴(yán)格要求。4.2仿真平臺與模型搭建4.2.1選用仿真工具在對1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行性能分析與驗證的過程中，選用了業(yè)界廣泛應(yīng)用的Cadence和Hspice作為主要的仿真工具，這兩款工具憑借其強(qiáng)大的功能和卓越的性能，能夠滿足本研究在電路仿真方面的多樣化需求。Cadence作為一款全面且功能強(qiáng)大的電子設(shè)計自動化（EDA）工具，擁有直觀友好的用戶界面和豐富的設(shè)計庫，為電路設(shè)計和仿真提供了便捷高效的平臺。在原理圖設(shè)計階段，Cadence的原理圖輸入工具具有高度的靈活性和準(zhǔn)確性，能夠方便地繪制復(fù)雜的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路，支持對各種電路元件進(jìn)行精確的參數(shù)設(shè)置和連接。其豐富的元件庫涵蓋了各種類型的半導(dǎo)體器件、電阻、電容等，滿足了本設(shè)計中對不同元件的需求。在仿真分析方面，Cadence集成了多種仿真引擎，如Spectre仿真器，能夠進(jìn)行直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析等多種類型的仿真。在直流分析中，可以精確地計算電路的靜態(tài)工作點，確定各個節(jié)點的電壓和電流值，為電路的初步設(shè)計和調(diào)試提供重要依據(jù)。交流分析則用于研究電路的頻率響應(yīng)特性，通過分析不同頻率下的增益和相位變化，評估電路在不同信號頻率下的性能。瞬態(tài)分析能夠模擬電路在時間域上的動態(tài)響應(yīng)，觀察電路在啟動、穩(wěn)態(tài)運行以及受到外部干擾等情況下的輸出電壓和電流變化，有助于分析電路的穩(wěn)定性和可靠性。Cadence還提供了強(qiáng)大的后處理功能，能夠?qū)Ψ抡娼Y(jié)果進(jìn)行直觀的可視化展示，通過繪制各種曲線，如電壓-時間曲線、頻率-增益曲線等，方便研究人員對電路性能進(jìn)行深入分析和評估。Hspice也是一款備受認(rèn)可的電路仿真工具，以其高精度的仿真結(jié)果和強(qiáng)大的計算能力而著稱。它采用了先進(jìn)的算法和模型，能夠準(zhǔn)確地模擬各種復(fù)雜的電路行為。在帶隙基準(zhǔn)電壓源的仿真中，Hspice能夠精確地考慮半導(dǎo)體器件的各種物理特性和非理想因素，如晶體管的閾值電壓漂移、寄生電容和電感等，從而提供更加真實可靠的仿真結(jié)果。在模擬帶隙基準(zhǔn)電壓源中雙極型晶體管（BJT）和CMOS器件的工作特性時，Hspice能夠準(zhǔn)確地模擬它們在不同溫度、電壓和電流條件下的電學(xué)特性，為研究溫度曲率補(bǔ)償技術(shù)和低電壓工作性能提供了有力支持。Hspice還支持對大規(guī)模電路進(jìn)行高效的仿真計算，能夠快速處理復(fù)雜的電路模型和大量的仿真數(shù)據(jù)，提高了仿真效率。在對包含多個模塊和大量元件的1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行仿真時，Hspice能夠在較短的時間內(nèi)完成仿真任務(wù)，為電路的優(yōu)化設(shè)計提供了及時的反饋。將Cadence和Hspice結(jié)合使用，可以充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，相互驗證仿真結(jié)果，提高仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。在電路設(shè)計初期，利用Cadence進(jìn)行原理圖設(shè)計和初步的仿真分析，快速搭建電路模型并進(jìn)行基本的性能評估；在深入研究電路性能和優(yōu)化設(shè)計階段，借助Hspice的高精度仿真能力，對電路進(jìn)行更加細(xì)致和全面的分析，確保設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)電壓源滿足各項性能指標(biāo)要求。4.2.2基于TSMC0.18μm工藝模型搭建本研究基于TSMC0.18μm工藝模型進(jìn)行電路搭建，該工藝在集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用和成熟的技術(shù)，能夠為1V帶溫度曲率補(bǔ)償?shù)腃MOS帶隙基準(zhǔn)電壓源提供良好的性能支持。在搭建基于TSMC0.18μm工藝的電路模型時，首先需要獲取該工藝的器件模型文件。這些模型文件包含了各種半導(dǎo)體器件，如雙極型晶體管（BJT）、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）等的詳細(xì)參數(shù)和特性描述。通過專業(yè)的渠道從TSMC獲取到該工藝的標(biāo)準(zhǔn)單元庫和器件模型文件，這些文件是建立準(zhǔn)確電路模型的基礎(chǔ)。在Cadence或Hspice等仿真工具中，將獲取的器件模型文件導(dǎo)入到設(shè)計環(huán)境中。在Cadence中，通過特定的導(dǎo)入流程，將TSMC0.18μm工藝的器件模型庫與原理圖設(shè)計工具進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確保在繪制電路原理圖時能夠準(zhǔn)確調(diào)用各種器件，并使用其對應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析。在Hspice中，通過設(shè)置相應(yīng)的模型參數(shù)文件路徑，使仿真引擎能夠識別和使用該工藝的器件模型。在搭建電路模型的過程中，需要對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)置。對于MOSFET器件，關(guān)鍵參數(shù)包括閾值電壓（VTH）、跨導(dǎo)（gm）、溝道長度調(diào)制系數(shù)（λ）、柵氧化層電容（Cox）等。閾值電壓VTH決定了MOSFET的導(dǎo)通特性，在TSMC0.18μm工藝中，NMOS管的閾值電壓典型值約為0.5V，PMOS管的閾值電壓典型值約為-0.5V。跨導(dǎo)gm反映了MOSFET對柵源電壓變化的響應(yīng)能力，它與器件的寬長比（W/L）、遷移率（μ）等因素有關(guān)。在設(shè)置gm參數(shù)時，需要根據(jù)器件的實際尺寸