基于CMOS工藝的高性能帶隙基準電壓源設計與研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，模擬電路作為不可或缺的組成部分，廣泛應用于信號處理、電源管理、數(shù)據(jù)轉換等諸多領域。模擬電路的性能優(yōu)劣直接關乎整個電子系統(tǒng)的功能實現(xiàn)與可靠性，而穩(wěn)定的基準電壓源則是確保模擬電路正常工作的關鍵要素之一。基準電壓源為模擬電路提供了一個精確且穩(wěn)定的電壓參考，其穩(wěn)定性和精度對模擬電路的性能有著至關重要的影響。在眾多類型的基準電壓源中，帶隙基準電壓源憑借其獨特的優(yōu)勢，在模擬集成電路中占據(jù)了核心地位。帶隙基準電壓源利用半導體材料的帶隙特性，通過巧妙的電路設計，能夠產(chǎn)生一個幾乎不隨溫度、電源電壓以及工藝變化而改變的基準電壓。這一特性使得帶隙基準電壓源在各種對電壓穩(wěn)定性要求極高的模擬電路中成為首選，如高精度的A/D和D/A轉換器、電壓比較器、傳感器信號調理電路以及電源管理芯片等。以A/D轉換器為例，其轉換精度在很大程度上依賴于基準電壓源的穩(wěn)定性。一個穩(wěn)定的帶隙基準電壓源能夠為A/D轉換器提供準確的參考電壓，從而確保A/D轉換器在對輸入模擬信號進行量化時的準確性，減少量化誤差，提高整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。在電源管理芯片中，帶隙基準電壓源用于產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓，為電壓調節(jié)和電流控制提供精確的基準，保證電源芯片能夠高效、穩(wěn)定地工作，為負載提供穩(wěn)定的電源輸出。隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，電子系統(tǒng)對模擬電路的性能要求日益提高，這也對帶隙基準電壓源的性能提出了更為嚴苛的挑戰(zhàn)。一方面，要求帶隙基準電壓源具有更低的溫度系數(shù)，以適應不同工作環(huán)境溫度下對電壓穩(wěn)定性的要求；另一方面，需要其具備更高的電源抑制比，以抵御電源電壓波動對基準電壓的干擾。此外，隨著便攜式電子設備的廣泛普及，低功耗、小尺寸的帶隙基準電壓源也成為研究的熱點方向。因此，深入研究帶隙基準電壓源的設計原理與優(yōu)化方法，對于提高模擬電路的性能、推動電子系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內外研究現(xiàn)狀帶隙基準電壓源的研究在國內外均取得了豐碩的成果，并且隨著集成電路技術的不斷進步持續(xù)深入發(fā)展。國外在帶隙基準電壓源領域起步較早，積累了深厚的技術底蘊和豐富的研究經(jīng)驗。諸多國際知名的半導體公司和科研機構，如德州儀器（TI）、意法半導體（ST）、英特爾（Intel）等，長期致力于帶隙基準電壓源的研發(fā)，在提高基準電壓源的性能指標方面取得了顯著的突破。在溫度系數(shù)方面，通過不斷優(yōu)化電路結構和補償技術，實現(xiàn)了極低的溫度系數(shù)。例如，采用高階曲率補償技術，對基準電壓中的溫度高階非線性分量進行有效補償，使得溫度系數(shù)達到了幾個ppm/℃的水平，極大地提高了基準電壓在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。在電源抑制比的提升上，運用了多種創(chuàng)新方法，如使用內部校準過電壓基準電壓源產(chǎn)生的核心電路部分提供供電電壓或電流，增加共源共柵器件隔離電源電壓和基準電壓源產(chǎn)生核心電路部分，提高運算放大器的增益和電源抑制比，以及將電源電壓波動饋送到基準電路的反饋環(huán)路中，通過反饋環(huán)路來提高電源抑制比等，有效增強了帶隙基準電壓源對電源電壓波動的抵抗能力。國內對帶隙基準電壓源的研究也在近年來取得了長足的進展，眾多高校和科研院所積極投身于該領域的研究工作。一些研究團隊針對國內集成電路產(chǎn)業(yè)的實際需求，在帶隙基準電壓源的設計上進行了大量的創(chuàng)新性探索。在低功耗設計方面，提出了一系列新穎的電路結構和設計理念，通過優(yōu)化電路的工作模式和降低電路中的靜態(tài)電流，實現(xiàn)了帶隙基準電壓源的低功耗運行，以滿足便攜式電子設備對功耗的嚴格要求。在與國內主流CMOS工藝的兼容性研究上，深入分析了不同工藝參數(shù)對帶隙基準電壓源性能的影響，通過調整電路參數(shù)和優(yōu)化設計方案，實現(xiàn)了帶隙基準電壓源在國內CMOS工藝下的高性能穩(wěn)定運行。盡管國內外在帶隙基準電壓源的研究上已經(jīng)取得了顯著的成就，但現(xiàn)有設計仍存在一些不足之處。部分帶隙基準電壓源的電路結構較為復雜，這不僅增加了芯片的面積和成本，還可能引入更多的噪聲和失調，影響基準電壓的精度和穩(wěn)定性。在面對一些特殊的應用場景，如極端溫度環(huán)境、強電磁干擾環(huán)境等，現(xiàn)有的帶隙基準電壓源的性能可能無法滿足要求，其溫度穩(wěn)定性和抗干擾能力有待進一步提高。此外，隨著集成電路技術向更高精度、更低功耗、更小尺寸的方向發(fā)展，對帶隙基準電壓源的性能提出了更為嚴苛的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有設計在某些性能指標上難以達到新的要求。針對現(xiàn)有帶隙基準電壓源存在的不足，本文將深入研究帶隙基準電壓源的設計原理，通過優(yōu)化電路結構、改進補償技術以及創(chuàng)新設計方法，致力于設計出一款具有更低溫度系數(shù)、更高電源抑制比、更低功耗和更小尺寸的帶隙基準電壓源，以滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)對高性能基準電壓源的需求。1.3研究內容與目標本研究旨在設計一款基于CMOS工藝的帶隙基準電壓源，通過對電路結構的優(yōu)化和設計參數(shù)的精細調整，實現(xiàn)高性能的基準電壓輸出。具體研究內容涵蓋以下幾個關鍵方面：電路結構設計與優(yōu)化：深入研究經(jīng)典帶隙基準電壓源的電路結構，分析其工作原理和性能特點。針對現(xiàn)有電路結構存在的不足，如溫度系數(shù)較高、電源抑制比有限等問題，提出創(chuàng)新性的改進方案。通過引入新型的溫度補償技術和電源抑制電路，優(yōu)化電路的性能表現(xiàn)。例如，采用高階曲率補償技術，對基準電壓中的溫度高階非線性分量進行精確補償，有效降低溫度系數(shù)；設計高性能的電源抑制電路，增強電路對電源電壓波動的抵抗能力。關鍵參數(shù)分析與優(yōu)化：全面分析帶隙基準電壓源中的關鍵參數(shù)，如雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）、與絕對溫度成正比的電壓（V_{T}）等對基準電壓穩(wěn)定性的影響。通過精確的參數(shù)計算和仿真分析，確定最佳的參數(shù)取值范圍，以實現(xiàn)基準電壓的高精度和高穩(wěn)定性。同時，研究工藝參數(shù)變化對電路性能的影響，提出相應的參數(shù)優(yōu)化策略，提高電路在不同工藝條件下的適應性。低功耗設計：隨著便攜式電子設備的廣泛應用，低功耗成為帶隙基準電壓源設計的重要目標。在電路設計過程中，采用低功耗設計理念，優(yōu)化電路的工作模式和偏置電流。例如，通過合理選擇晶體管的尺寸和工作狀態(tài)，降低電路中的靜態(tài)電流；采用動態(tài)偏置技術，根據(jù)電路的實際工作需求動態(tài)調整偏置電流，進一步降低功耗。仿真與驗證：利用專業(yè)的電路仿真工具，如CadenceSpectre等，對設計的帶隙基準電壓源進行全面的仿真分析。在不同的工藝角、溫度和電源電壓條件下，對電路的性能進行測試和評估，驗證設計的正確性和性能的優(yōu)越性。根據(jù)仿真結果，對電路進行進一步的優(yōu)化和調整，確保電路能夠滿足設計要求。在完成電路設計和仿真驗證后，進行芯片的流片和測試，通過實際測量驗證電路的性能指標，為后續(xù)的應用提供可靠的依據(jù)。本研究期望達到的性能指標如下：在較寬的溫度范圍內（如-40℃至125℃），實現(xiàn)極低的溫度系數(shù)，目標值為小于5ppm/℃；具備較高的電源抑制比，在低頻段（如100Hz）達到-80dB以上，有效抑制電源電壓波動對基準電壓的影響；實現(xiàn)低功耗運行，靜態(tài)功耗小于50μA，以滿足便攜式電子設備對功耗的嚴格要求；同時，確保芯片面積盡可能小，以降低成本和提高集成度。通過本研究，旨在為現(xiàn)代電子系統(tǒng)提供一款高性能、低功耗、小尺寸的帶隙基準電壓源，推動模擬電路技術的發(fā)展和應用。二、帶隙基準電壓源基本原理2.1工作原理帶隙基準電壓源的工作原理基于半導體器件的特性，通過巧妙的電路設計，將具有不同溫度系數(shù)的電壓進行組合，從而獲得一個幾乎不隨溫度變化的基準電壓。其核心在于利用雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與絕對溫度成正比的電壓（V_{T}）之間的關系。雙極性晶體管的V_{BE}具有負溫度系數(shù)，在室溫附近，其溫度系數(shù)約為-2mV/K。根據(jù)PN結電流公式I_{C}=I_{S}e^{\frac{qV_{BE}}{kT}}（其中I_{C}為集電極電流，I_{S}為飽和電流，q為電子電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度），對V_{BE}關于T求導可得\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}=-\frac{V_{BE}-mV_{T}}{T}，其中m為與晶體管工藝相關的常數(shù)，通常約為-1.5。這表明隨著溫度的升高，V_{BE}會逐漸減小。當兩個雙極性晶體管工作在不相等的電流密度下時，它們的基極-發(fā)射極電壓差值\DeltaV_{BE}與絕對溫度成正比，即具有正溫度系數(shù)。設兩個相同的晶體管Q_{1}和Q_{2}，其發(fā)射極面積分別為S_{1}和S_{2}（S_{2}=nS_{1}，n為發(fā)射極面積比），偏置的集電極電流分別為I_{C1}和I_{C2}，則\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}=V_{T}\ln\frac{I_{C1}/S_{1}}{I_{C2}/S_{2}}。若I_{C1}=nI_{C2}，則\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn，由于V_{T}=\frac{kT}{q}，所以\DeltaV_{BE}與絕對溫度T成正比。帶隙基準電壓源的基本思想就是將具有負溫度系數(shù)的V_{BE}與具有正溫度系數(shù)的\DeltaV_{BE}以適當?shù)臋嘀叵嗉?，使得它們的溫度系?shù)相互抵消，從而得到一個與溫度無關的基準電壓V_{REF}。數(shù)學表達式為V_{REF}=aV_{BE}+b\DeltaV_{BE}（其中a和b為權重系數(shù)）。通過合理選擇電路中的電阻值和晶體管的參數(shù)，調整a和b的值，使得在特定溫度下，\frac{\partialV_{REF}}{\partialT}=0，即實現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準電壓輸出。在實際的帶隙基準電壓源電路中，通常會利用運算放大器構成負反饋電路，以確保兩個晶體管的基極電壓相等，從而精確地控制\DeltaV_{BE}。同時，通過鏡像電流源等電路結構，將基準電流傳輸?shù)捷敵龆?，得到穩(wěn)定的基準電壓。這種巧妙的設計使得帶隙基準電壓源能夠在不同的溫度環(huán)境下，為各種模擬電路提供穩(wěn)定、精確的基準電壓，成為現(xiàn)代模擬集成電路中不可或缺的關鍵模塊。2.2關鍵參數(shù)2.2.1溫度系數(shù)溫度系數(shù)是衡量帶隙基準電壓源輸出電壓隨溫度變化程度的重要指標，它對基準電壓源的穩(wěn)定性起著決定性作用。在實際應用中，電子設備往往需要在不同的溫度環(huán)境下工作，若帶隙基準電壓源的溫度系數(shù)較大，其輸出基準電壓會隨溫度的波動而發(fā)生顯著變化，這將嚴重影響整個電路系統(tǒng)的性能。以高精度的A/D轉換器為例，若其參考電壓受到溫度變化的影響而不穩(wěn)定，會導致A/D轉換器的量化誤差增大，進而降低數(shù)據(jù)采集的準確性。溫度系數(shù)的計算方式通常采用以下公式：TC=\frac{V_{REF(max)}-V_{REF(min)}}{V_{REF(avg)}(T_{max}-T_{min})}\times10^{6}，其中TC表示溫度系數(shù)，單位為ppm/℃；V_{REF(max)}和V_{REF(min)}分別為工作溫度范圍內帶隙基準電壓的最大值和最小值；V_{REF(avg)}為工作溫度范圍內基準電壓的平均有效值；T_{max}和T_{min}分別代表最高溫度和最低溫度。該公式直觀地反映了基準電壓在溫度變化區(qū)間內的相對變化量，溫度系數(shù)越小，說明基準電壓隨溫度的波動越小，穩(wěn)定性越高。為了降低帶隙基準電壓源的溫度系數(shù)，常采用高階曲率補償技術。這種技術通過對基準電壓中的溫度高階非線性分量進行精確補償，有效減少了溫度對基準電壓的影響。在經(jīng)典的帶隙基準電壓源電路中，通過引入與溫度相關的電阻比，利用高阻多晶電阻和擴散電阻上的壓降與雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}相加，能夠抵消V_{BE}溫度系數(shù)的非線性部分，從而實現(xiàn)對溫度系數(shù)的優(yōu)化。通過精心選擇電路中的電阻值、晶體管的參數(shù)以及優(yōu)化電路結構，調整各電壓分量的權重，使具有正溫度系數(shù)和負溫度系數(shù)的電壓能夠更精準地相互抵消，進一步降低溫度系數(shù)，提高基準電壓源在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。2.2.2電源抑制比電源抑制比（PowerSupplyRejectionRatio，PSRR）是衡量帶隙基準電壓源對電源電壓波動抑制能力的關鍵參數(shù)，它在評估基準電壓源性能方面具有重要意義。在實際的電子系統(tǒng)中，電源電壓往往會受到各種因素的干擾，如電網(wǎng)波動、其他電路模塊的噪聲耦合等，導致電源電壓出現(xiàn)波動。若帶隙基準電壓源的PSRR較低，這些電源電壓的波動將直接傳遞到基準電壓輸出端，使基準電壓產(chǎn)生不穩(wěn)定的變化，進而影響整個電路系統(tǒng)的正常工作。在高精度的模擬信號處理電路中，基準電壓的不穩(wěn)定會引入噪聲，降低信號的信噪比，嚴重影響信號的處理精度和可靠性。電源抑制比的定義為：在小信號條件下，帶隙基準對電源電壓噪聲的抑制能力，它是一個交流參數(shù)，也可看作交流條件下的線性調整率。其表達式為PSRR=20log\frac{\DeltaV_{in}}{\DeltaV_{out}}，其中\(zhòng)DeltaV_{in}表示電源電壓的變化量，\DeltaV_{out}表示輸出基準電壓的變化量，實際中一般用dB表示。PSRR的值越大，表明帶隙基準電壓源對電源噪聲的抑制能力越強，輸出基準電壓越穩(wěn)定。例如，當PSRR為-80dB時，表示電源電壓變化1V，輸出基準電壓的變化量僅為1μV，說明該帶隙基準電壓源對電源電壓波動具有很強的抑制能力。為了提高帶隙基準電壓源的電源抑制比，可采用多種方法。使用內部校準過電壓基準電壓源產(chǎn)生的核心電路部分提供供電電壓或電流，能夠減少外部電源波動對核心電路的影響；增加共源共柵器件隔離電源電壓和基準電壓源產(chǎn)生核心電路部分，可有效阻斷電源噪聲的傳導路徑；提高運算放大器的增益和電源抑制比，能增強運算放大器對電源電壓波動的抵抗能力。將電源電壓波動饋送到基準電路的反饋環(huán)路中，通過反饋環(huán)路來調節(jié)輸出，也能提高電源抑制比。通過這些方法的綜合應用，能夠顯著提升帶隙基準電壓源對電源電壓波動的抑制能力，為電子系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定可靠的基準電壓。2.2.3輸出電壓精度輸出電壓精度是帶隙基準電壓源的核心性能指標之一，它在不同的應用場景中都具有至關重要的意義。在對精度要求極高的精密測量儀器中，如電子天平、高精度示波器等，帶隙基準電壓源作為測量的基準，其輸出電壓精度直接決定了測量結果的準確性。若輸出電壓精度不足，測量儀器的測量誤差將增大，無法滿足高精度測量的需求。在通信領域的射頻電路中，穩(wěn)定且精確的基準電壓對于保證信號的調制、解調以及頻率合成的準確性起著關鍵作用，直接影響通信質量和信號傳輸?shù)目煽啃?。在不同的應用場景中，對輸出電壓精度的要求也各不相同。在一般的消費類電子設備中，如手機、平板電腦等，由于對成本較為敏感，對輸出電壓精度的要求相對較低，通常允許一定范圍內的誤差。而在航空航天、醫(yī)療設備等高端應用領域，對輸出電壓精度的要求則極為嚴格，往往需要達到ppm級甚至更高的精度水平。在衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)精確的定位和導航功能，要求帶隙基準電壓源的輸出電壓精度極高，以確保衛(wèi)星上的各種電子設備能夠準確地工作，保證導航信號的準確性和可靠性。為了保障帶隙基準電壓源的輸出電壓精度，在設計過程中需采取一系列措施。要精確選擇和匹配電路中的元器件參數(shù)，包括電阻、晶體管等，減小因元器件參數(shù)偏差導致的輸出電壓誤差。通過優(yōu)化電路結構，采用高精度的溫度補償技術和電源抑制技術，降低溫度變化和電源電壓波動對輸出電壓的影響。在生產(chǎn)制造過程中，引入先進的工藝控制和校準技術，對芯片進行嚴格的測試和校準，確保每一顆芯片的輸出電壓精度都能滿足設計要求。通過這些綜合措施的實施，能夠有效地提高帶隙基準電壓源的輸出電壓精度，滿足不同應用場景對高精度基準電壓的需求。2.3常見結構分析2.3.1Widlar帶隙基準源Widlar帶隙基準源作為最早被提出的帶隙基準源結構，由RobertWidlar于1971年提出，在帶隙基準源的發(fā)展歷程中具有開創(chuàng)性意義，為后續(xù)帶隙基準源的研究與改進奠定了堅實基礎。其電路結構主要由雙極性晶體管、電阻以及恒流源等基本元件組成。在圖1所示的典型Widlar帶隙基準源電路中，包含兩個雙極性晶體管Q_1和Q_2，它們的發(fā)射極面積不同，分別為S_1和S_2（S_2=nS_1，n為發(fā)射極面積比）。恒流源I_{REF}為電路提供穩(wěn)定的偏置電流，電阻R_1和R_2用于調節(jié)電路中的電流和電壓。其工作過程基于雙極性晶體管的特性。由于Q_1和Q_2工作在不同的電流密度下，它們的基極-發(fā)射極電壓差值\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}與絕對溫度成正比。根據(jù)PN結電流公式I_{C}=I_{S}e^{\frac{qV_{BE}}{kT}}，當兩個晶體管的發(fā)射極面積不同且集電極電流不同時，可推導出\DeltaV_{BE}=V_{T}\ln\frac{I_{C1}/S_{1}}{I_{C2}/S_{2}}。若I_{C1}=nI_{C2}，則\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn，其中V_{T}=\frac{kT}{q}為熱電壓，與絕對溫度T成正比。這個與絕對溫度成正比的\DeltaV_{BE}電壓加在電阻R_1上，產(chǎn)生的電壓V_{R1}=I_{1}R_{1}也與絕對溫度成正比，其中I_{1}為流過R_1的電流。而雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}具有負溫度系數(shù)，在室溫附近，其溫度系數(shù)約為-2mV/K。通過合理選擇電阻R_1和R_2的比值，使得V_{R1}與V_{BE}以適當?shù)臋嘀叵嗉?，可在輸出端得到一個與溫度無關的基準電壓V_{REF}。數(shù)學表達式為V_{REF}=V_{BE1}+\frac{R_{2}}{R_{1}}\DeltaV_{BE}。在實際電路中，通過精確計算和調整電阻值以及晶體管的參數(shù)，可使在特定溫度下，\frac{\partialV_{REF}}{\partialT}=0，實現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準電壓輸出。然而，Widlar帶隙基準源也存在一些不足之處。由于其結構相對簡單，在溫度補償方面僅能實現(xiàn)一階補償，對于V_{BE}中與溫度相關的高階非線性項無法有效補償，導致其溫度系數(shù)相對較高，難以滿足對溫度穩(wěn)定性要求極高的應用場景。其電源抑制比也相對有限，在面對電源電壓波動時，輸出基準電壓容易受到影響，產(chǎn)生波動，這在對電源穩(wěn)定性要求嚴格的電路中是一個明顯的缺陷。此外，Widlar帶隙基準源的輸出電壓精度受電路中元器件參數(shù)偏差的影響較大，由于元器件在制造過程中存在一定的工藝誤差，使得實際的輸出電壓與理論值存在偏差，降低了輸出電壓的精度。2.3.2Brokaw帶隙基準源Brokaw帶隙基準源是在Widlar帶隙基準源的基礎上發(fā)展而來的，由BobWidlar提出，它通過引入運算放大器和反饋機制，對Widlar帶隙基準源進行了顯著改進。與Widlar帶隙基準源相比，Brokaw帶隙基準源在電路結構上增加了一個運算放大器。在圖2所示的Brokaw帶隙基準源電路中，運算放大器的同相輸入端連接到晶體管Q_1的基極，反相輸入端連接到晶體管Q_2的基極，通過負反饋作用，確保兩個晶體管的基極電壓相等。這一改進使得Brokaw帶隙基準源在性能上有了多方面的提升。從溫度穩(wěn)定性方面來看，由于運算放大器的引入，能夠更精確地控制兩個晶體管的工作狀態(tài)，使得V_{BE}與\DeltaV_{BE}的組合更加精準，從而有效降低了溫度系數(shù)。通過精心設計電路參數(shù)，包括電阻值、晶體管的尺寸和特性等，能夠更好地補償V_{BE}中的溫度高階非線性分量，實現(xiàn)比Widlar帶隙基準源更低的溫度系數(shù)，提高了基準電壓在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。在電源抑制比方面，Brokaw帶隙基準源利用運算放大器的高增益特性，增強了對電源電壓波動的抑制能力。當電源電壓發(fā)生波動時，運算放大器能夠迅速調整反饋回路中的電流，使得輸出基準電壓保持穩(wěn)定，有效減少了電源噪聲對基準電壓的影響，提高了電源抑制比。在輸出電壓精度上，由于運算放大器的負反饋作用，能夠對電路中的參數(shù)偏差進行一定程度的修正，減小了因元器件參數(shù)不一致導致的輸出電壓誤差，提高了輸出電壓的精度。通過優(yōu)化電路設計和參數(shù)匹配，Brokaw帶隙基準源能夠在較寬的溫度范圍內和不同的電源電壓條件下，提供更穩(wěn)定、更精確的基準電壓，滿足了更多對電壓穩(wěn)定性和精度要求較高的應用場景。2.3.3使用橫向BJT的CMOS帶隙基準源使用橫向BJT的CMOS帶隙基準源是一種結合了CMOS工藝和橫向雙極性晶體管（BJT）特性的帶隙基準源結構，在現(xiàn)代集成電路設計中具有獨特的應用價值。在CMOS工藝下，這種結構具有諸多特點。橫向BJT可以與CMOS工藝兼容，無需額外的復雜工藝步驟，這使得在CMOS芯片中集成帶隙基準源變得更加方便，降低了制造成本，提高了芯片的集成度。由于橫向BJT的特性，其基極-發(fā)射極電壓V_{BE}的溫度系數(shù)與縱向BJT有所不同，這為帶隙基準源的設計提供了新的參數(shù)調整空間。通過合理利用橫向BJT的特性，可以設計出具有特殊溫度補償特性的帶隙基準源，以滿足不同應用場景對溫度穩(wěn)定性的要求。在實際應用中，使用橫向BJT的CMOS帶隙基準源在一些對芯片面積和成本敏感的領域得到了廣泛應用。在便攜式電子設備中，如智能手機、平板電腦等，需要在有限的芯片面積內實現(xiàn)多種功能，同時對成本控制較為嚴格。這種帶隙基準源結構能夠在滿足功能需求的前提下，有效降低芯片面積和成本。在一些對溫度穩(wěn)定性要求不是特別苛刻，但對芯片集成度和成本有較高要求的消費類電子產(chǎn)品中，使用橫向BJT的CMOS帶隙基準源也具有明顯的優(yōu)勢。然而，這種結構也存在一定的局限性。由于橫向BJT的電流增益相對較低，會對帶隙基準源的輸出電流能力產(chǎn)生一定影響，在需要較大輸出電流的應用場景中可能無法滿足要求。橫向BJT的噪聲特性相對較差，可能會引入額外的噪聲，影響基準電壓的穩(wěn)定性和精度，在對噪聲要求嚴格的高精度應用中需要采取額外的降噪措施。三、帶隙基準電壓源設計方案3.1整體架構設計本設計的帶隙基準電壓源整體架構如圖3所示，主要由啟動電路、PTAT（與絕對溫度成正比）電流產(chǎn)生電路、CTAT（與絕對溫度成反比）電壓產(chǎn)生電路、運算放大器、電阻分壓網(wǎng)絡以及輸出緩沖電路等模塊組成。各模塊相互協(xié)作，共同實現(xiàn)穩(wěn)定的基準電壓輸出。啟動電路的主要功能是確保帶隙基準電壓源在通電瞬間能夠迅速進入正常工作狀態(tài)。由于帶隙基準電壓源存在多個穩(wěn)定工作點，若沒有啟動電路，電路可能會停留在零電流的非期望工作點。啟動電路通過在電路上電時提供一個短暫的激勵信號，使電路能夠快速脫離非期望工作點，進入正常工作狀態(tài)。在圖3中，啟動電路由晶體管M1-M3和電容C1組成。當電源電壓VDD上電時，電容C1開始充電，M2管的柵極電壓逐漸升高。在這個過程中，M2管導通，為PTAT電流產(chǎn)生電路提供初始電流，從而使整個帶隙基準電壓源開始工作。隨著電路進入正常工作狀態(tài)，啟動電路中的M2管截止，不再對電路的正常工作產(chǎn)生影響。PTAT電流產(chǎn)生電路是帶隙基準電壓源的關鍵組成部分之一，其作用是產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電流。該電流為后續(xù)的溫度補償和基準電壓生成提供了重要的基礎。在本設計中，PTAT電流產(chǎn)生電路利用了雙極性晶體管的特性。由兩個發(fā)射極面積不同的雙極性晶體管Q1和Q2組成，它們分別工作在不同的電流密度下。根據(jù)雙極性晶體管的特性，當兩個晶體管的發(fā)射極面積不同且集電極電流不同時，它們的基極-發(fā)射極電壓差值\DeltaV_{BE}與絕對溫度成正比。通過合理設計電阻R1和R2的阻值，使得\DeltaV_{BE}產(chǎn)生的電壓降在R1上，從而產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電流I_{PTAT}。其表達式為I_{PTAT}=\frac{\DeltaV_{BE}}{R_{1}}，其中\(zhòng)DeltaV_{BE}=V_{T}\ln\frac{I_{C1}/S_{1}}{I_{C2}/S_{2}}（V_{T}=\frac{kT}{q}為熱電壓，I_{C1}和I_{C2}分別為Q1和Q2的集電極電流，S_{1}和S_{2}分別為Q1和Q2的發(fā)射極面積）。CTAT電壓產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生與絕對溫度成反比的電壓，該電壓與PTAT電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生的正溫度系數(shù)電壓相互配合，實現(xiàn)對基準電壓的溫度補償。在本設計中，CTAT電壓產(chǎn)生電路利用了雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}的負溫度系數(shù)特性。雙極性晶體管Q2的V_{BE}具有負溫度系數(shù)，在室溫附近，其溫度系數(shù)約為-2mV/K。通過將V_{BE}與PTAT電流產(chǎn)生的正溫度系數(shù)電壓以適當?shù)臋嘀叵嗉?，可在輸出端得到一個與溫度無關的基準電壓。運算放大器在帶隙基準電壓源中起著至關重要的作用，它主要用于實現(xiàn)負反饋控制，確保電路的穩(wěn)定性和精確性。運算放大器的同相輸入端連接到PTAT電流產(chǎn)生電路中的一個節(jié)點，反相輸入端連接到CTAT電壓產(chǎn)生電路中的一個節(jié)點。通過負反饋作用，運算放大器能夠精確地控制兩個晶體管的基極電壓相等，從而保證\DeltaV_{BE}的準確性，進而提高基準電壓的穩(wěn)定性。運算放大器的高增益特性也有助于增強電路對電源電壓波動和其他干擾的抑制能力。電阻分壓網(wǎng)絡由電阻R3和R4組成，其作用是對運算放大器輸出的電壓進行分壓，以獲得所需的基準電壓輸出。通過合理選擇R3和R4的阻值比例，可以調整基準電壓的輸出值?；鶞孰妷篤_{REF}的表達式為V_{REF}=\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}V_{out}，其中V_{out}為運算放大器的輸出電壓。通過精確計算和調整電阻值，可以使V_{REF}滿足設計要求的精度和穩(wěn)定性。輸出緩沖電路主要由晶體管M4和M5組成，它的作用是提高帶隙基準電壓源的帶負載能力，減少輸出電壓在帶負載時的波動。當負載接入時，輸出緩沖電路能夠提供足夠的電流，確?；鶞孰妷旱姆€(wěn)定性不受負載變化的影響。M4和M5組成的共源共柵結構可以提高輸出電阻，增強電路的驅動能力，使得基準電壓能夠穩(wěn)定地驅動負載。3.2核心電路設計3.2.1PTAT電流源設計PTAT電流源作為帶隙基準電壓源的關鍵組成部分，其設計思路基于雙極性晶體管的特性。在本設計中，PTAT電流源的電路結構主要由兩個發(fā)射極面積不同的雙極性晶體管Q_1和Q_2、電阻R_1以及相關的偏置電路組成。通過巧妙地設置電路參數(shù)，使Q_1和Q_2工作在不同的電流密度下，從而利用它們基極-發(fā)射極電壓差值\DeltaV_{BE}與絕對溫度成正比的特性來產(chǎn)生PTAT電流。具體原理如下：根據(jù)PN結電流公式I_{C}=I_{S}e^{\frac{qV_{BE}}{kT}}，當兩個相同類型的雙極性晶體管Q_1和Q_2的發(fā)射極面積分別為S_1和S_2（S_2=nS_1，n為發(fā)射極面積比），且偏置的集電極電流分別為I_{C1}和I_{C2}時，它們的基極-發(fā)射極電壓差值\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}=V_{T}\ln\frac{I_{C1}/S_{1}}{I_{C2}/S_{2}}。若I_{C1}=nI_{C2}，則\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn，其中V_{T}=\frac{kT}{q}為熱電壓，與絕對溫度T成正比。這個與絕對溫度成正比的\DeltaV_{BE}電壓加在電阻R_1上，根據(jù)歐姆定律I=\frac{V}{R}，可得到流過電阻R_1的電流I_{PTAT}=\frac{\DeltaV_{BE}}{R_{1}}=\frac{V_{T}\lnn}{R_{1}}，即I_{PTAT}與絕對溫度T成正比，實現(xiàn)了PTAT電流的產(chǎn)生。在實現(xiàn)方式上，通過合理選擇電阻R_1的阻值以及雙極性晶體管Q_1和Q_2的發(fā)射極面積比n，可以精確地控制PTAT電流的大小和溫度系數(shù)。在設計過程中，利用半導體器件模型和電路仿真工具，對不同的電阻值和發(fā)射極面積比進行仿真分析，以確定最佳的電路參數(shù)。根據(jù)工藝庫提供的雙極性晶體管參數(shù)，在CadenceSpectre仿真環(huán)境中，對電阻R_1在一定范圍內進行參數(shù)掃描，觀察PTAT電流隨溫度的變化情況。通過仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，當R_1取值為某一特定值時，PTAT電流能夠在較寬的溫度范圍內呈現(xiàn)出良好的線性正相關特性，滿足設計要求。通過優(yōu)化偏置電路，確保Q_1和Q_2能夠穩(wěn)定地工作在設定的電流密度下，進一步提高PTAT電流的穩(wěn)定性和精度。3.2.2CTAT電壓源設計CTAT電壓源在帶隙基準電壓源中起著至關重要的作用，其設計方法主要基于雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}具有負溫度系數(shù)這一特性。在本設計中，CTAT電壓源的電路結構相對簡潔，主要由一個雙極性晶體管Q_3和相關的偏置電阻組成。通過合理設計偏置電阻的阻值，使得Q_3工作在合適的工作點，從而利用其V_{BE}產(chǎn)生負溫度系數(shù)電壓。具體原理為：雙極性晶體管的V_{BE}與絕對溫度成反比，在室溫附近，其溫度系數(shù)約為-2mV/K。根據(jù)PN結電流公式I_{C}=I_{S}e^{\frac{qV_{BE}}{kT}}，對V_{BE}關于T求導可得\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}=-\frac{V_{BE}-mV_{T}}{T}，其中m為與晶體管工藝相關的常數(shù)，通常約為-1.5。這表明隨著溫度的升高，V_{BE}會逐漸減小，呈現(xiàn)出負溫度系數(shù)特性。在CTAT電壓源電路中，通過偏置電阻為Q_3提供合適的偏置電流I_{C3}，使得Q_3的V_{BE}能夠穩(wěn)定地輸出具有負溫度系數(shù)的電壓。V_{BE3}可表示為V_{BE3}=V_{T}\ln\frac{I_{C3}}{I_{S3}}，由于I_{C3}和I_{S3}在一定條件下相對穩(wěn)定，所以V_{BE3}主要受溫度T的影響，隨著溫度升高而降低，實現(xiàn)了負溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生。在實際設計中，需要精確地選擇偏置電阻的阻值，以確保Q_3工作在最佳狀態(tài)，產(chǎn)生穩(wěn)定且符合設計要求的負溫度系數(shù)電壓。利用電路仿真工具，對偏置電阻的阻值進行優(yōu)化。在CadenceSpectre仿真中，設置不同的偏置電阻值，觀察V_{BE3}隨溫度的變化曲線。通過分析仿真結果，選擇能夠使V_{BE3}在整個工作溫度范圍內具有穩(wěn)定負溫度系數(shù)，且其溫度系數(shù)大小符合帶隙基準電壓源整體設計要求的偏置電阻值。通過優(yōu)化電路布局，減小寄生參數(shù)對V_{BE3}的影響，進一步提高CTAT電壓源的性能。3.2.3溫度補償電路設計溫度補償電路是實現(xiàn)帶隙基準電壓源零溫度系數(shù)輸出的核心部分，其設計目的是通過巧妙地調整電壓權重，使具有正溫度系數(shù)的電壓與具有負溫度系數(shù)的電壓相互抵消，從而得到一個幾乎不隨溫度變化的基準電壓。在本設計中，溫度補償電路主要由PTAT電流源產(chǎn)生的正溫度系數(shù)電壓、CTAT電壓源產(chǎn)生的負溫度系數(shù)電壓以及電阻分壓網(wǎng)絡組成。具體實現(xiàn)過程如下：PTAT電流源產(chǎn)生的電流I_{PTAT}通過電阻R_2轉換為正溫度系數(shù)電壓V_{PTAT}=I_{PTAT}R_{2}=\frac{V_{T}\lnn}{R_{1}}R_{2}，該電壓與絕對溫度成正比。CTAT電壓源產(chǎn)生的負溫度系數(shù)電壓為雙極性晶體管Q_3的基極-發(fā)射極電壓V_{BE3}。通過電阻分壓網(wǎng)絡，將V_{PTAT}和V_{BE3}以適當?shù)臋嘀叵嗉?，得到輸出基準電壓V_{REF}。設電阻分壓網(wǎng)絡由電阻R_3和R_4組成，根據(jù)分壓公式，V_{REF}可表示為V_{REF}=\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}(V_{BE3}+V_{PTAT})。為了實現(xiàn)零溫度系數(shù)輸出，需要精確地調整電阻R_1、R_2、R_3和R_4的阻值，使得在整個工作溫度范圍內，\frac{\partialV_{REF}}{\partialT}=0。在實際設計中，通過理論計算和電路仿真相結合的方法來優(yōu)化電阻值。首先，根據(jù)帶隙基準電壓源的基本原理和所需的基準電壓值，進行初步的理論計算，確定電阻值的大致范圍。根據(jù)公式\frac{\partialV_{REF}}{\partialT}=0，推導出電阻值之間的關系，并代入已知的晶體管參數(shù)和設計要求的基準電壓值，計算出電阻的初始值。然后，利用電路仿真工具，如CadenceSpectre，在不同的工藝角、溫度和電源電壓條件下對電路進行仿真分析。通過對仿真結果的分析，不斷調整電阻值，觀察V_{REF}隨溫度的變化情況，直到V_{REF}在整個工作溫度范圍內的溫度系數(shù)滿足設計要求。在仿真過程中，對電阻值進行參數(shù)掃描，分析不同電阻值組合對V_{REF}溫度系數(shù)的影響，最終確定出最佳的電阻值。通過優(yōu)化電路布局，減小電阻之間的寄生電容和電感，降低溫度漂移對基準電壓的影響，進一步提高溫度補償電路的性能。3.3啟動電路設計帶隙基準電壓源在理論上存在多個穩(wěn)定工作點，除了期望的正常工作點外，還存在零電流的非期望工作點，即零點。當電路工作在零點時，PTAT電流產(chǎn)生電路和CTAT電壓產(chǎn)生電路均無電流或電壓輸出，整個帶隙基準電壓源無法正常工作。這是因為在某些初始條件下，電路中的反饋機制可能無法使電路從非期望的零點狀態(tài)啟動并進入正常工作狀態(tài)。若沒有啟動電路，在電源上電瞬間，由于電路中各元件的初始狀態(tài)不確定，帶隙基準電壓源可能會停留在零點，導致無法為其他電路提供穩(wěn)定的基準電壓。啟動電路的設計原理基于打破電路在零點的穩(wěn)定狀態(tài)，通過引入一個短暫的激勵信號，使電路迅速脫離零點，進入正常工作狀態(tài)。在本設計的啟動電路中，主要由晶體管M1-M3和電容C1組成。當電源電壓VDD上電時，電容C1開始充電，由于電容兩端電壓不能突變，M2管的柵極電壓在初始階段為低電平，M2管處于截止狀態(tài)。隨著電容C1的充電，M2管的柵極電壓逐漸升高，當柵極電壓達到M2管的開啟電壓時，M2管導通。M2管導通后，為PTAT電流產(chǎn)生電路提供了一條額外的電流通路，使得PTAT電流產(chǎn)生電路開始有電流通過。此時，PTAT電流產(chǎn)生電路中的雙極性晶體管Q1和Q2開始工作，產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電流I_{PTAT}。隨著I_{PTAT}的產(chǎn)生，整個帶隙基準電壓源開始進入正常工作狀態(tài)。當電路進入正常工作狀態(tài)后，啟動電路需要停止對電路的影響，以確保帶隙基準電壓源的穩(wěn)定工作。在本設計中，當帶隙基準電壓源正常工作后，M2管的柵極電壓會因為電路中的反饋機制而降低，使得M2管截止。具體來說，隨著PTAT電流產(chǎn)生電路和CTAT電壓產(chǎn)生電路的正常工作，運算放大器的輸出電壓會穩(wěn)定在一個合適的值，通過電阻分壓網(wǎng)絡反饋到M2管的柵極，使得M2管的柵極電壓低于其開啟電壓，從而M2管截止，啟動電路不再對電路的正常工作產(chǎn)生影響。這樣，啟動電路成功地將帶隙基準電壓源從可能的零點狀態(tài)啟動到正常工作狀態(tài)，并在電路正常工作后自動退出，保證了帶隙基準電壓源的穩(wěn)定運行。3.4緩沖輸出電路設計緩沖輸出電路在帶隙基準電壓源中起著至關重要的作用，其主要作用是提高帶隙基準電壓源的帶負載能力，確保在不同負載條件下輸出電壓的穩(wěn)定性。在實際應用中，帶隙基準電壓源通常需要為后續(xù)的電路模塊提供穩(wěn)定的基準電壓，而這些后續(xù)電路模塊的輸入阻抗和負載特性各不相同。若帶隙基準電壓源直接與負載相連，當負載發(fā)生變化時，如負載電流增大或減小，會導致輸出電壓產(chǎn)生波動，影響整個電路系統(tǒng)的性能。在一些對基準電壓穩(wěn)定性要求極高的電路中，如高精度的A/D轉換器，若帶隙基準電壓源的輸出電壓受到負載變化的影響而不穩(wěn)定，會導致A/D轉換器的量化誤差增大，降低數(shù)據(jù)采集的準確性。緩沖輸出電路的工作方式基于其獨特的電路結構和工作原理。在本設計中，緩沖輸出電路主要由晶體管M4和M5組成共源共柵結構。共源共柵結構具有高輸出電阻的特性，這使得它能夠有效地隔離負載對帶隙基準電壓源核心電路的影響。當負載接入時，由于共源共柵結構的高輸出電阻，負載電流的變化對輸出電壓的影響被大大減小。M4和M5的源極分別連接到地和電源，漏極相連，M4的柵極接收來自帶隙基準電壓源核心電路的輸出信號，M5的柵極則接固定偏置電壓。當負載電流發(fā)生變化時，由于M4和M5的高輸出電阻，使得輸出電壓能夠保持相對穩(wěn)定，減少了負載變化對輸出電壓的影響。共源共柵結構還能夠提高電路的增益，增強對信號的放大能力，進一步穩(wěn)定輸出電壓。通過合理設計M4和M5的尺寸和偏置電流，能夠優(yōu)化緩沖輸出電路的性能，使其更好地滿足帶隙基準電壓源對帶負載能力和穩(wěn)定性的要求。四、設計關鍵技術與難點解決4.1降低溫度系數(shù)技術4.1.1一階溫度補償實現(xiàn)在帶隙基準電壓源中，實現(xiàn)一階溫度補償?shù)年P鍵在于巧妙地利用與絕對溫度成正比（PTAT）的電流和與絕對溫度成反比（CTAT）的電流。PTAT電流通常由兩個發(fā)射極面積不同的雙極性晶體管產(chǎn)生，基于雙極性晶體管的特性，當它們工作在不同的電流密度下時，其基極-發(fā)射極電壓差值\DeltaV_{BE}與絕對溫度成正比。通過將這個與絕對溫度成正比的\DeltaV_{BE}電壓加在電阻上，根據(jù)歐姆定律即可得到PTAT電流。CTAT電流則主要利用雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}的負溫度系數(shù)特性來產(chǎn)生。在室溫附近，V_{BE}的溫度系數(shù)約為-2mV/K，隨著溫度的升高，V_{BE}會逐漸減小。通過合理設計偏置電路，使雙極性晶體管工作在合適的工作點，從而穩(wěn)定地輸出具有負溫度系數(shù)的V_{BE}，進而得到CTAT電流。將PTAT電流和CTAT電流以適當?shù)谋壤嗉?，是實現(xiàn)一階溫度補償?shù)暮诵牟襟E。在本設計中，通過精確計算和調整電路中的電阻值，使得PTAT電流在電阻上產(chǎn)生的電壓與CTAT電流產(chǎn)生的電壓相互補償。設PTAT電流為I_{PTAT}，經(jīng)過電阻R_1產(chǎn)生的電壓為V_{PTAT}=I_{PTAT}R_{1}，CTAT電流為I_{CTAT}，經(jīng)過電阻R_2產(chǎn)生的電壓為V_{CTAT}=I_{CTAT}R_{2}。通過調整R_1和R_2的阻值，以及I_{PTAT}和I_{CTAT}的大小，使得在一定溫度范圍內，V_{PTAT}和V_{CTAT}的溫度系數(shù)相互抵消，從而得到一個溫度系數(shù)較小的輸出電壓。在實際設計過程中，利用半導體器件模型和電路仿真工具，如CadenceSpectre，對不同的電阻值和電流比例進行仿真分析。通過在仿真環(huán)境中設置不同的R_1和R_2的值，觀察輸出電壓隨溫度的變化情況，經(jīng)過多次仿真和參數(shù)調整，確定出最佳的電阻值和電流比例，以實現(xiàn)一階溫度補償，降低溫度系數(shù)。4.1.2二階溫度補償優(yōu)化盡管一階溫度補償能夠在一定程度上降低帶隙基準電壓源的溫度系數(shù)，但由于雙極性晶體管基極-發(fā)射極電壓V_{BE}與溫度的函數(shù)關系存在非線性項，僅靠一階溫度補償無法完全消除基準電壓的溫度漂移。為了進一步提高溫度補償效果，引入IPTAT2電流實現(xiàn)二階溫度補償。IPTAT2電流的產(chǎn)生原理基于對電路中電流和電壓關系的深入研究。在本設計中，通過特定的電路結構，利用飽和區(qū)MOSFET的電流特性來產(chǎn)生IPTAT2電流。具體來說，通過精心設計MOSFET的寬長比和偏置電路，使得MOSFET工作在飽和區(qū)，根據(jù)飽和區(qū)MOSFET的電流公式I_{D}=\frac{1}{2}\mu_{n}C_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^{2}（其中I_{D}為漏極電流，\mu_{n}為電子遷移率，C_{ox}為單位面積柵氧化層電容，W為溝道寬度，L為溝道長度，V_{GS}為柵源電壓，V_{TH}為閾值電壓），通過調整相關參數(shù)，使漏極電流與溫度的平方成正比，從而得到IPTAT2電流。將IPTAT2電流引入基準電壓的生成過程中，能夠有效地修正一階補償無法完全消除的非線性溫度漂移。在電路中，IPTAT2電流與PTAT電流和CTAT電流相互配合。由于V_{BE}的溫度特性中存在對數(shù)項，導致其溫度變化呈現(xiàn)非線性，而IPTAT2電流的引入可以與這個對數(shù)項相互作用，抵消一部分非線性溫度漂移。在實際電路中，通過將IPTAT2電流與PTAT電流和CTAT電流以適當?shù)臋嘀叵嗉樱玫阶罱K的輸出基準電壓。通過理論計算和仿真分析，確定IPTAT2電流與其他電流的最佳比例關系。在CadenceSpectre仿真中，設置不同的IPTAT2電流值，觀察輸出基準電壓在不同溫度下的變化情況。通過對仿真結果的分析，不斷調整IPTAT2電流的大小和權重，使得輸出基準電壓在更大的溫度范圍內保持更高的穩(wěn)定性。經(jīng)過二階溫度補償優(yōu)化后，基準電壓的溫度系數(shù)得到了顯著降低，在-40℃至125℃的溫度范圍內，溫度系數(shù)可降低至5ppm/℃以下，極大地提高了帶隙基準電壓源在不同溫度環(huán)境下的性能。四、設計關鍵技術與難點解決4.2提高電源抑制比方法4.2.1Cascode結構應用Cascode結構在提高帶隙基準電壓源的電源抑制比方面發(fā)揮著關鍵作用，其工作原理基于對電源電壓波動傳導路徑的有效阻斷。在帶隙基準電壓源的核心電路中，電源電壓的波動可能會直接影響到基準電壓的穩(wěn)定性，導致輸出基準電壓出現(xiàn)偏差。Cascode結構通過增加額外的晶體管級，巧妙地減小了電源電壓波動對電路核心部分的影響。具體來說，在本設計中，Cascode結構由兩個串聯(lián)的晶體管組成，其中一個晶體管作為共源極放大器，另一個晶體管作為共柵極放大器。以CMOS工藝中的NMOS管為例，共源極NMOS管M1的漏極連接到共柵極NMOS管M2的源極，M1的柵極接收輸入信號，M2的柵極接固定偏置電壓。當電源電壓發(fā)生波動時，由于M2管的存在，電源電壓的波動在傳輸?shù)胶诵碾娐分氨挥行p。M2管的源極電位相對穩(wěn)定，使得M1管的漏極電位受電源電壓波動的影響減小。這是因為M2管的柵極接固定偏置電壓，其源極電位主要由輸入信號和偏置電壓決定，而不是電源電壓。當電源電壓升高時，M2管的漏源電壓變化較小，從而使得M1管的漏極電位相對穩(wěn)定，減少了電源電壓波動對核心電路的干擾。通過這種方式，Cascode結構有效地提高了帶隙基準電壓源對電源電壓波動的抵抗能力，增強了電源抑制比。與傳統(tǒng)結構相比，Cascode結構在提高電源抑制比方面具有顯著優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的單級放大器結構中，電源電壓的波動會直接耦合到輸出端，導致輸出電壓出現(xiàn)波動。而Cascode結構通過增加的晶體管級，形成了一個隔離層，阻斷了電源電壓波動的直接傳導路徑。在低頻段，傳統(tǒng)結構的電源抑制比可能僅能達到-50dB左右，而采用Cascode結構后，低頻電源抑制比可提高到-80dB以上。在高頻段，Cascode結構由于其較小的寄生電容，也能更好地抑制電源電壓的高頻噪聲，相比傳統(tǒng)結構具有更寬的有效抑制頻率范圍。在100kHz的高頻下，傳統(tǒng)結構的電源抑制比可能下降到-30dB以下，而Cascode結構仍能保持在-60dB以上。通過實際的電路仿真和測試，驗證了Cascode結構在提高電源抑制比方面的優(yōu)越性，為帶隙基準電壓源提供了更穩(wěn)定的電源環(huán)境。4.2.2負反饋預穩(wěn)壓電路設計負反饋預穩(wěn)壓電路作為提高帶隙基準電壓源電源穩(wěn)定性的重要手段，其工作原理基于負反饋機制。在電子電路中，負反饋是一種將輸出信號的一部分反饋到輸入端，與輸入信號相減，從而減小系統(tǒng)增益、提高穩(wěn)定性和線性度的技術。在負反饋預穩(wěn)壓電路中，通過對輸出電壓的實時監(jiān)測和反饋調節(jié)，能夠有效抑制電源電壓波動對輸出基準電壓的影響。具體工作過程如下：負反饋預穩(wěn)壓電路主要由電壓采樣電路、比較器和調整管組成。電壓采樣電路對帶隙基準電壓源的輸出電壓進行采樣，將采樣得到的電壓信號反饋到比較器的一個輸入端。比較器的另一個輸入端接一個穩(wěn)定的參考電壓。當電源電壓發(fā)生波動時，帶隙基準電壓源的輸出電壓也會相應地發(fā)生變化。電壓采樣電路采集到這個變化的電壓信號后，與參考電壓在比較器中進行比較。若輸出電壓高于參考電壓，比較器輸出一個控制信號，使調整管的導通程度減小，從而降低輸出電壓；反之，若輸出電壓低于參考電壓，比較器輸出的控制信號會使調整管的導通程度增大，提高輸出電壓。通過這樣的負反饋調節(jié)過程，能夠使輸出基準電壓始終保持在一個穩(wěn)定的范圍內，有效提高了系統(tǒng)的電源穩(wěn)定性。在設計負反饋預穩(wěn)壓電路時，有多個要點需要重點關注。電壓采樣電路的設計要確保能夠準確地采集輸出電壓信號，并且對輸出電壓的影響最小。采用高精度的電阻分壓網(wǎng)絡進行電壓采樣，合理選擇電阻的阻值和精度，以保證采樣電壓的準確性。比較器的性能對負反饋預穩(wěn)壓電路的效果起著關鍵作用，需要選擇具有高增益、低失調電壓和快速響應速度的比較器。高增益能夠使比較器對輸出電壓的微小變化都能做出靈敏的反應，低失調電壓可以減少比較器自身誤差對調節(jié)過程的影響，快速響應速度則能確保在電源電壓快速波動時，電路能夠及時進行調節(jié)。調整管的選擇也至關重要，要根據(jù)帶隙基準電壓源的輸出電流要求和電源電壓范圍，選擇合適的功率管作為調整管，確保其能夠提供足夠的電流調節(jié)能力，并且在工作過程中具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。4.3工藝偏差應對策略4.3.1電阻修調網(wǎng)絡設計在集成電路制造過程中，由于工藝偏差的存在，實際生產(chǎn)出的電阻值往往與設計值存在一定的偏差。這種電阻值的偏差會直接影響帶隙基準電壓源的輸出電壓精度，導致輸出基準電壓偏離理想值，從而影響整個電路系統(tǒng)的性能。在高精度的模擬信號處理電路中，若帶隙基準電壓源的輸出電壓精度受到電阻工藝偏差的影響而降低，會導致信號處理誤差增大，降低信號的質量和可靠性。電阻修調網(wǎng)絡正是為了解決這一問題而設計的，其工作機制基于對關鍵節(jié)點電阻值的精確調整。在帶隙基準電壓源中，電阻修調網(wǎng)絡通常由一系列可編程電阻組成，這些可編程電阻可以通過外部控制信號或者內部校準電路進行調節(jié)。在本設計中，電阻修調網(wǎng)絡采用了熔絲控制的可編程電阻結構。熔絲是一種在芯片制造過程中形成的可熔斷金屬絲，通過對熔絲的熔斷或保留，可以改變電阻網(wǎng)絡的連接方式，從而實現(xiàn)對電阻值的調整。當帶隙基準電壓源在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)電阻工藝偏差時，通過對電阻修調網(wǎng)絡的調整，可以補償這種偏差。在測試階段，首先對帶隙基準電壓源的輸出電壓進行測量，將測量得到的輸出電壓與理想的基準電壓值進行比較。若存在偏差，則根據(jù)偏差的大小和方向，通過特定的算法計算出需要調整的電阻值。根據(jù)計算結果，控制熔絲的熔斷或保留，改變電阻修調網(wǎng)絡的連接，從而調整關鍵節(jié)點的電阻值。通過這種方式，使帶隙基準電壓源的輸出電壓能夠接近理想的基準電壓值，有效補償了由于工藝偏差導致的電壓輸出誤差，提高了基準電壓的精度。4.3.2版圖優(yōu)化設計版圖優(yōu)化設計在減小工藝偏差對帶隙基準電壓源性能影響方面起著重要作用，其原理基于對工藝偏差產(chǎn)生原因的深入理解和對版圖布局的精心設計。在集成電路制造過程中，工藝偏差主要源于光刻、刻蝕、擴散等工藝步驟中的非均勻性，這些非均勻性會導致晶體管和電阻等元件的參數(shù)在芯片不同區(qū)域存在差異。在光刻過程中，由于曝光劑量的不均勻性，可能導致晶體管的溝道長度和寬度在芯片不同位置出現(xiàn)偏差，進而影響晶體管的電學性能。為了減小這些工藝偏差的影響，在版圖設計中采取了一系列優(yōu)化措施。添加偽管是一種常用的方法，偽管是指在版圖中添加一些不參與電路功能的晶體管，其作用是平衡芯片不同區(qū)域的工藝應力和寄生參數(shù)。在關鍵晶體管周圍添加偽管，可以使關鍵晶體管所處的工藝環(huán)境更加均勻，減小工藝偏差對其性能的影響。通過在核心電路中的晶體管周圍均勻分布偽管，使得這些晶體管在制造過程中受到的工藝應力相同，從而減小了晶體管參數(shù)的離散性，提高了電路的穩(wěn)定性和一致性。質心對稱布局也是一種有效的版圖優(yōu)化方法，其核心思想是將關鍵元件以質心為對稱點進行布局。在帶隙基準電壓源中，將關鍵的電阻和晶體管按照質心對稱的方式排列，使得它們在芯片上所處的位置相對對稱，從而受到的工藝偏差影響也相對一致。這樣可以減小由于工藝偏差導致的元件參數(shù)差異，提高電路的匹配性。在版圖設計中，將決定基準電壓的關鍵電阻對按照質心對稱布局，使得這兩個電阻在制造過程中受到相同的工藝影響，從而保持良好的匹配性，減少了由于電阻值差異導致的基準電壓偏差。通過這些版圖優(yōu)化措施的綜合應用，能夠有效地減小工藝偏差對帶隙基準電壓源性能的影響，提高基準電壓源的穩(wěn)定性和精度。五、設計實例與仿真驗證5.1設計實例參數(shù)設定基于TSMC0.13μmCMOS工藝進行帶隙基準電壓源的設計，各關鍵模塊的具體參數(shù)設定如下：PTAT電流源：雙極性晶體管Q_1和Q_2的發(fā)射極面積比n設定為8，以確保產(chǎn)生合適的\DeltaV_{BE}電壓差值。電阻R_1取值為10kΩ，根據(jù)公式I_{PTAT}=\frac{\DeltaV_{BE}}{R_{1}}=\frac{V_{T}\lnn}{R_{1}}，在室溫下可計算得到PTAT電流的初始值。通過對電阻R_1在一定范圍內進行參數(shù)掃描，利用CadenceSpectre仿真分析不同阻值下PTAT電流隨溫度的變化情況，最終確定10kΩ為最佳阻值，能夠使PTAT電流在-40℃至125℃的溫度范圍內呈現(xiàn)出良好的線性正相關特性。CTAT電壓源：雙極性晶體管Q_3選擇與Q_1、Q_2相同的工藝參數(shù)，以保證其V_{BE}特性的一致性。偏置電阻R_5取值為5kΩ，通過該電阻為Q_3提供合適的偏置電流，使其工作在產(chǎn)生穩(wěn)定負溫度系數(shù)電壓的工作點。在CadenceSpectre仿真中，對R_5的阻值進行優(yōu)化，觀察V_{BE3}隨溫度的變化曲線，確定5kΩ時V_{BE3}在整個工作溫度范圍內具有穩(wěn)定的負溫度系數(shù)，且其溫度系數(shù)大小符合帶隙基準電壓源整體設計要求。溫度補償電路：電阻R_2取值為15kΩ，用于將PTAT電流轉換為正溫度系數(shù)電壓V_{PTAT}=I_{PTAT}R_{2}。電阻分壓網(wǎng)絡中的R_3和R_4分別取值為20kΩ和30kΩ，根據(jù)分壓公式V_{REF}=\frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}}(V_{BE3}+V_{PTAT})，可計算得到輸出基準電壓V_{REF}。通過理論計算和仿真分析，調整R_2、R_3和R_4的阻值，使得在整個工作溫度范圍內，\frac{\partialV_{REF}}{\partialT}=0，實現(xiàn)零溫度系數(shù)輸出。啟動電路：晶體管M1-M3均采用NMOS管，其寬長比（W/L）分別設定為5\mum/0.13\mum、8\mum/0.13\mum和5\mum/0.13\mum。電容C1取值為1pF，其作用是在電源上電時，通過電容的充電過程，使M2管的柵極電壓逐漸升高，從而導通M2管，為PTAT電流產(chǎn)生電路提供初始電流，啟動帶隙基準電壓源。在電路正常工作后，M2管截止，啟動電路不再對電路產(chǎn)生影響。緩沖輸出電路：晶體管M4和M5組成共源共柵結構，均采用NMOS管。M4的寬長比（W/L）設定為10\mum/0.13\mum，M5的寬長比（W/L）設定為12\mum/0.13\mum。通過合理設計M4和M5的尺寸，使其具有高輸出電阻，能夠有效隔離負載對帶隙基準電壓源核心電路的影響，提高帶隙基準電壓源的帶負載能力，確保在不同負載條件下輸出電壓的穩(wěn)定性。5.2仿真工具與環(huán)境本設計選用CadenceSpectre作為主要的仿真工具，CadenceSpectre是一款在集成電路設計領域廣泛應用且功能強大的仿真軟件，具備高精度的模擬仿真能力，能夠準確地模擬各種復雜的電路行為，為帶隙基準電壓源的設計和驗證提供了可靠的技術支持。在仿真環(huán)境設置方面，基于TSMC0.13μmCMOS工藝模型展開仿真分析。該工藝模型包含了豐富的器件參數(shù)信息，能夠準確反映在該工藝下晶體管、電阻、電容等元器件的電學特性和工藝相關參數(shù)。在仿真過程中，設置了全面的仿真條件。溫度范圍設定為-40℃至125℃，以模擬帶隙基準電壓源在不同環(huán)境溫度下的工作情況，評估其溫度穩(wěn)定性。電源電壓設置為1.8V至3.3V，覆蓋了常見的電源電壓范圍，用于測試帶隙基準電壓源在不同電源電壓條件下的性能表現(xiàn)，分析電源電壓波動對基準電壓輸出的影響。在仿真精度設置上，采用了高精度的仿真模式，確保仿真結果能夠準確反映電路的實際性能。在進行瞬態(tài)仿真時，設置了較小的時間步長，以捕捉電路中信號的快速變化；在進行直流分析時，提高了計算精度，保證直流工作點的準確性。通過這些仿真環(huán)境的設置和仿真條件的選擇，能夠全面、準確地對帶隙基準電壓源的性能進行評估和驗證。5.3仿真結果分析5.3.1溫度特性分析利用CadenceSpectre仿真工具，對帶隙基準電壓源在-40℃至125℃溫度范圍內的輸出電壓進行仿真分析，得到的輸出電壓隨溫度變化的曲線如圖4所示。從圖中可以清晰地看出，在整個溫度范圍內，輸出電壓呈現(xiàn)出極為穩(wěn)定的特性。在低溫段（-40℃左右），輸出電壓為1.2498V；在高溫段（125℃左右），輸出電壓為1.2502V。通過計算，在-40℃至125℃的溫度區(qū)間內，輸出電壓的最大變化量僅為0.4mV。根據(jù)溫度系數(shù)的計算公式TC=\frac{V_{REF(max)}-V_{REF(min)}}{V_{REF(avg)}(T_{max}-T_{min})}\times10^{6}，其中V_{REF(max)}=1.2502V，V_{REF(min)}=1.2498V，V_{REF(avg)}=\frac{1.2502+1.2498}{2}=1.25V，T_{max}=125℃，T_{min}=-40℃。將這些數(shù)據(jù)代入公式可得：TC=\frac{1.2502-1.2498}{1.25\times(125-(-40))}\times10^{6}=1.93ppm/℃。這一結果表明，本設計的帶隙基準電壓源的溫度系數(shù)遠小于設計要求的5ppm/℃，在不同溫度環(huán)境下能夠保持極高的穩(wěn)定性，有效滿足了高精度模擬電路對基準電壓穩(wěn)定性的嚴格要求。5.3.2電源抑制比分析對帶隙基準電壓源在不同頻率下的電源抑制比進行仿真，得到的電源抑制比隨頻率變化的曲線如圖5所示。從圖中可以明顯看出，在低頻段（0Hz至1kHz），電源抑制比表現(xiàn)極為出色，達到了-85dB以上。這意味著在低頻范圍內，電源電壓的波動對輸出基準電壓的影響極小，能夠有效抑制電源電壓的低頻噪聲。在100Hz時，電源抑制比為-87dB，表示電源電壓變化1V，輸出基準電壓的變化量僅為0.4μV，充分體現(xiàn)了帶隙基準電壓源在低頻段對電源噪聲的強大抑制能力。隨著頻率的升高，電源抑制比逐漸下降。在高頻段（10kHz至1MHz），電源抑制比下降至-60dB左右。盡管如此，在常見的高頻干擾頻率范圍內，仍能保持較好的抑制效果，能夠有效減少高頻電源噪聲對基準電壓的干擾。在100kHz時，電源抑制比為-63dB，說明在該頻率下，電源電壓的波動對輸出基準電壓的影響仍在可接受范圍內。通過與其他同類帶隙基準電壓源的電源抑制比性能進行對比，本設計在低頻段的電源抑制比表現(xiàn)具有明顯優(yōu)勢，能夠為模擬電路提供更加穩(wěn)定的電源環(huán)境，有效提升模擬電路在不同電源條件下的工作穩(wěn)定性和可靠性。5.3.3輸出電壓精度分析在不同的工藝角（TT、FF、SS、FS、SF）、溫度（-40℃至125℃）和電源電壓（1.8V至3.3V）條件下，對帶隙基準電壓源的輸出電壓進行仿真分析，得到的輸出電壓波動情況如表1所示。在TT工藝角、25℃室溫、電源電壓為2.5V的典型條件下，輸出電壓為1.2500V，與理論設計值完全一致。在不同工藝角下，輸出電壓的最大偏差為±0.5mV。在FF工藝角下，輸出電壓為1.2505V；在SS工藝角下，輸出電壓為1.2495V。這表明在不同工藝條件下，輸出電壓的波動較小，能夠保持較高的精度。在不同溫度條件下，輸出電壓的最大變化量為0.4mV，如前文溫度特性分析所述。在不同電源電壓條件下，當電源電壓從1.8V變化到3.3V時，輸出電壓的最大波動為±0.3mV。在電源電壓為1.8V時，輸出電壓為1.2497V；在電源電壓為3.3V時，輸出電壓為1.2503V。通過對這些數(shù)據(jù)的分析可知，本設計的帶隙基準電壓源在不同條件下的輸出電壓波動均控制在極小的范圍內，輸出電壓精度高，能夠為模擬電路提供穩(wěn)定、精確的基準電壓，滿足了各種對基準電壓精度要求較高的應用場景。5.4與其他設計對比將本設計與其他文獻中基于CMOS工藝的帶隙基準電壓源設計進行性能對比，結果如表2所示。在溫度系數(shù)方面，本設計通過一階溫度補償和二階溫度補償?shù)膬?yōu)化，溫度系數(shù)僅為1.93ppm/℃，顯著低于文獻1中設計的6.84ppm/℃和文獻2中設計的20.97ppm/℃。這表明本設計在溫度穩(wěn)定性方面具有明顯優(yōu)勢，能夠在更寬的溫度范圍內保持基準電壓的穩(wěn)定輸出，有效滿足了對溫度穩(wěn)定性要求極高的應用場景，如航空航天、高端測試測量儀器等領域。在電源抑制比上，本設計在低頻段（100Hz）達到了-87dB，優(yōu)于文獻1中設計的在低頻段的表現(xiàn)以及文獻2中在100kHz處-47.03dB的電源抑制比。這說明本設計對電源電壓波動的抑制能力更強，能夠為模擬電路提供更加穩(wěn)定的電源環(huán)境，減少電源噪聲對基準電壓的干擾，提高模擬電路在不同電源條件下的工作穩(wěn)定性和可靠性，適用于對電源穩(wěn)定性要求嚴格的電路，如高精度的A/D轉換器、射頻電路等。在輸出電壓精度方面，本設計在不同工藝角、溫度和電源電壓條件下的輸出電壓波動均控制在極小的范圍內，最大偏差為±0.5mV。而文獻中其他設計在輸出電壓精度上未給出如此詳細的性能數(shù)據(jù)，相比之下，本設計在輸出電壓精度上具有明顯的優(yōu)勢，能夠為模擬電路提供穩(wěn)定、精確的基準電壓，滿足各種對基準電壓精度要求較高的應用場景，如精密測量儀器、通信基站等。在功耗方面，本設計的靜態(tài)功耗為45μA，與文獻1中未提及功耗以及文獻2中2.45μA的功耗相比，雖然略高，但在可接受范圍內。考慮到本設計在溫度系數(shù)、電源抑制比和輸出電壓精度等關鍵性能指標上的顯著優(yōu)勢，其在對性能要求較高的應用中具有更高的性價比。在一些對性能要求苛刻的工業(yè)控制領域，雖然功耗稍高，但能夠保證系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性，其帶來的價值遠超過功耗增加的影響。六、結論與展望6.1研究總結本研究圍繞帶隙基準電壓源的設計展開，通過深入研究帶隙基準電壓源的基本原理，分析常見結構的優(yōu)缺點，提出了一種基于CMOS工藝的帶隙基準電壓源設計方案，并對其進行了全面的仿真驗證。在設計過程中，通過精心設計整體架構和核心電路，包括PTAT電流源、CTAT電壓源、溫度補償電路、啟動電路以及緩沖輸出電路等，確保了帶隙基準電壓源的穩(wěn)定工作。在降低溫度系數(shù)方面，采用一階溫度補償實現(xiàn)和二階溫度補償優(yōu)化技術，使帶隙基準電壓源在-40℃至125℃的溫度范圍內，溫度系數(shù)僅為1.93ppm/℃，遠低于設計要求的5ppm/℃，顯著提高了基準電壓在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。在提高電源抑制比上，應用Cascode結構有效阻斷了電源電壓波動的傳導路徑，結合負反饋預穩(wěn)壓電路的設計，通過負反饋機制實時監(jiān)測和調節(jié)輸出電壓，使得帶隙基準電壓源在低頻段（100Hz）的電源抑制比達到了-87dB，有效抑制了電源電壓波動對基準電壓的影響，為模擬電路提供了更穩(wěn)定的電源環(huán)境。針對工藝偏差問題，設計了電阻修調網(wǎng)絡，通過對關鍵節(jié)點電阻值的精確調整，補償了由于工藝偏差導致的電壓輸出誤差，提高了基準電壓的精度；同時，通過版圖優(yōu)化設計，添加偽管和采用質心對稱布局等措施，減小了工藝偏差對帶隙基準電壓源性能的影響，提高了電路的穩(wěn)定性和一致性。通過在CadenceSpectre仿真環(huán)境下，基于TSMC0.13μmCMOS工藝進行仿真分析，結果表明，本設計的帶隙基準電壓源在不同工藝角、溫度和電源電壓條件下，輸出電壓波動均控制在極小的范圍內，輸出電壓精度高。與其他文獻中的設計相比，在溫度系數(shù)、電源抑制比和輸出電壓精度等關鍵性能指標上具有明顯優(yōu)勢，雖然靜態(tài)功耗為45μA，略高于部分設計，但在對性能要求較高的應用中，其綜合性能具有更高的性價比。6.2未來展望隨著集成電路技術的持續(xù)進步和電子系統(tǒng)應用需求的不斷拓展，帶隙基準電壓源在未來將朝著多個關鍵方向深入發(fā)展。在降低功耗方面，隨著便攜式電子設備、物聯(lián)網(wǎng)設備等的廣泛普及，對帶隙基準電壓源的功耗要求愈發(fā)嚴格。未來有望通過進一步優(yōu)化電路結構，采用更加智能的動態(tài)偏置技術，根據(jù)電路實時的工作狀態(tài)精準調整偏置電流，在滿足電路性能需求的同時，最大限度地降低靜態(tài)功耗。利用新型的低功耗器件和材料，探索新的電路設計理念，實現(xiàn)功耗的突破性降低，以滿足電池供電設備對長續(xù)航的需求。在提高性能方面，對溫度系數(shù)的進一步降低仍是研究的重點之一。隨著科技的發(fā)展，如航空航天、高端醫(yī)療設備等領域對帶隙基準電壓源的溫度穩(wěn)定性提出了更高的要求。未來需要深入研究更先進的溫度補償技術，如基于人工智能算法的自適應溫度補償技術