基于SMIC0.18μmCMOS工藝的帶隙基準源創(chuàng)新設計與性能優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在當今高度信息化的時代，集成電路作為現(xiàn)代電子系統(tǒng)的核心組成部分，廣泛應用于通信、計算機、消費電子、汽車電子等眾多領域，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個電子系統(tǒng)的功能和可靠性。模擬集成電路在信號處理、電源管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等方面發(fā)揮著不可或缺的作用，而帶隙基準源作為模擬集成電路中的關鍵單元，為其他功能模塊提供高精度、高穩(wěn)定性的電壓基準或電流基準，是確保模擬集成電路性能的重要基礎。帶隙基準源的主要作用是產(chǎn)生一個與電源電壓、溫度以及工藝變化無關的穩(wěn)定基準信號。在模擬電路中，許多功能模塊如放大器、比較器、濾波器等都需要精確的基準信號來保證其正常工作和性能指標。例如，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，帶隙基準源為其提供參考電壓，直接影響ADC的轉(zhuǎn)換精度和線性度；在電源管理芯片中，帶隙基準源用于產(chǎn)生穩(wěn)定的基準電壓，以實現(xiàn)對輸出電壓的精確控制，提高電源效率和穩(wěn)定性。因此，帶隙基準源的性能優(yōu)劣對整個模擬集成電路系統(tǒng)的性能有著至關重要的影響。隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，工藝尺寸逐漸縮小，對帶隙基準源的性能提出了更高的要求。SMIC0.18μmCMOS工藝作為一種成熟的集成電路制造工藝，具有成本低、集成度高、功耗低等優(yōu)點，在中低端集成電路產(chǎn)品中得到了廣泛應用。采用SMIC0.18μmCMOS工藝設計帶隙基準源，不僅可以滿足當前市場對低成本、高性能集成電路的需求，還能推動集成電路技術在各個領域的進一步應用和發(fā)展。通過優(yōu)化設計和工藝實現(xiàn)，能夠在該工藝下設計出具有低溫度系數(shù)、高電源抑制比、低功耗等優(yōu)良性能的帶隙基準源，有助于提升基于該工藝的模擬集成電路的整體性能，降低系統(tǒng)成本，提高產(chǎn)品競爭力。同時，對于推動我國集成電路產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng)新和發(fā)展，減少對國外技術的依賴，也具有重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀帶隙基準源作為模擬集成電路中的關鍵模塊，一直是國內(nèi)外學者和工程師研究的熱點領域。多年來，相關研究在提高性能、降低成本和優(yōu)化工藝等方面取得了顯著進展。在國外，眾多知名科研機構和企業(yè)投入大量資源開展帶隙基準源的研究。早期，經(jīng)典的帶隙基準源結(jié)構如Brokaw結(jié)構、Wilson結(jié)構等被廣泛應用，這些結(jié)構奠定了帶隙基準源設計的基礎。隨著工藝技術的發(fā)展，研究重點逐漸轉(zhuǎn)向如何在更先進的工藝節(jié)點下實現(xiàn)高性能的帶隙基準源。例如，在深亞微米和納米工藝下，學者們致力于解決工藝參數(shù)變化、器件失配以及低電源電壓等帶來的挑戰(zhàn)，通過優(yōu)化電路拓撲、采用新型補償技術和設計高性能運算放大器等方法，不斷提升帶隙基準源的溫度系數(shù)、電源抑制比和功耗等性能指標。在低功耗設計方面，國外研究人員提出了基于亞閾值技術的帶隙基準源設計方案，使電路中的部分晶體管工作在亞閾值區(qū)，有效降低了功耗。在提高電源抑制比方面，采用了各種反饋技術和濾波器結(jié)構，以抑制電源噪聲對基準電壓的影響。國內(nèi)在帶隙基準源研究領域也取得了長足的進步。許多高校和科研機構積極開展相關研究工作，針對不同應用場景和工藝條件，設計出多種具有特色的帶隙基準源電路。在基于SMIC0.18μmCMOS工藝的研究中，國內(nèi)學者通過深入分析該工藝的特點和局限性，提出了一系列優(yōu)化設計方法。有的研究利用該工藝寄生的PNP晶體管特性，設計出高精度、低溫度系數(shù)的帶隙基準源電路。通過合理配置PNP晶體管的參數(shù)和連接方式，實現(xiàn)了對溫度漂移的有效補償，提高了基準源的穩(wěn)定性。有的研究則關注帶隙基準源在低電源電壓下的工作性能，采用軌至軌運算放大器和亞閾值偏置技術，使帶隙基準源能夠在較低的電源電壓下正常工作，同時降低了功耗。在版圖設計方面，國內(nèi)研究也注重減小寄生效應和提高芯片面積利用率，通過優(yōu)化布局和布線，提高了帶隙基準源的整體性能。然而，目前基于SMIC0.18μmCMOS工藝的帶隙基準源設計仍存在一些不足之處。盡管在溫度系數(shù)和電源抑制比等方面取得了一定的改善，但在面對復雜的工作環(huán)境和嚴格的性能要求時，仍有提升空間。部分設計在高溫或低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性不夠理想，溫度系數(shù)難以滿足一些高精度應用的需求。在電源抑制比方面，雖然采用了多種技術手段，但在高頻段的電源噪聲抑制能力還有待加強。此外，隨著集成電路系統(tǒng)對帶隙基準源的多輸出、高可靠性等要求日益增加，現(xiàn)有的設計在功能拓展和可靠性保障方面還需進一步研究和改進。1.3研究內(nèi)容與方法本論文主要圍繞SMIC0.18μmCMOS帶隙基準源展開深入研究，致力于設計出一款具備優(yōu)良性能的帶隙基準源電路，以滿足現(xiàn)代模擬集成電路對高精度、高穩(wěn)定性基準信號的需求。具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關鍵方面：帶隙基準源基本原理與結(jié)構分析：全面深入地研究帶隙基準源的基本工作原理，這是設計高性能帶隙基準源的理論基石。對經(jīng)典的帶隙基準源結(jié)構，如Brokaw結(jié)構、Wilson結(jié)構等進行細致的剖析，從電路拓撲、工作機制、性能特點等角度展開研究，深入理解這些經(jīng)典結(jié)構的優(yōu)缺點。同時，廣泛調(diào)研當前國內(nèi)外新型的帶隙基準源結(jié)構，分析其設計思路、創(chuàng)新點以及在不同應用場景下的適用性，為后續(xù)的設計工作提供豐富的理論依據(jù)和結(jié)構參考?；赟MIC0.18μmCMOS工藝的電路設計：依據(jù)SMIC0.18μmCMOS工藝的特點和參數(shù)，進行帶隙基準源的電路設計。確定合適的電路拓撲結(jié)構，精心選擇電路中的關鍵器件，如晶體管、電阻、電容等，并對其參數(shù)進行優(yōu)化設計。通過理論分析和公式推導，確定各個器件的尺寸、型號以及連接方式，以實現(xiàn)帶隙基準源的低溫度系數(shù)、高電源抑制比和低功耗等性能指標。重點關注電路中對溫度和電源電壓敏感的部分，采用有效的補償技術和電路優(yōu)化方法，提高基準源的穩(wěn)定性和抗干擾能力。例如，采用基于雙極晶體管的正溫度系數(shù)電壓與負溫度系數(shù)電壓的補償技術，通過合理配置雙極晶體管的工作電流和發(fā)射極面積比，實現(xiàn)對溫度漂移的有效補償。電路性能優(yōu)化與仿真分析：運用電路仿真軟件，如Hspice、Cadence等，對設計的帶隙基準源電路進行全面的仿真分析。通過設置不同的仿真條件，包括溫度變化范圍、電源電壓波動范圍、工藝參數(shù)變化等，模擬電路在實際工作環(huán)境中的性能表現(xiàn)。根據(jù)仿真結(jié)果，分析電路的溫度系數(shù)、電源抑制比、輸出電壓精度、功耗等性能指標，找出電路設計中存在的問題和不足之處。針對這些問題，提出相應的優(yōu)化措施，如調(diào)整電路參數(shù)、改進補償電路結(jié)構、優(yōu)化運算放大器性能等，并再次進行仿真驗證，直至電路性能滿足設計要求。在仿真過程中，還需關注電路的啟動特性、噪聲特性等，確保電路能夠快速穩(wěn)定地啟動，并且輸出噪聲在可接受范圍內(nèi)。版圖設計與驗證：完成電路設計后，進行帶隙基準源的版圖設計。在版圖設計過程中，充分考慮工藝要求和版圖設計規(guī)則，合理布局電路中的各個器件，優(yōu)化布線方式，以減小寄生效應和芯片面積。采用共質(zhì)心布局、匹配布局等技術，提高器件的匹配性和電路的穩(wěn)定性。同時，考慮電源和地的分布，減少電源噪聲對電路性能的影響。完成版圖設計后，利用版圖驗證工具進行DRC（設計規(guī)則檢查）、LVS（版圖與原理圖一致性檢查）等驗證工作，確保版圖設計的正確性和可靠性。最后，對版圖進行后仿真，考慮寄生參數(shù)的影響，再次驗證電路的性能是否滿足設計要求。在研究方法上，綜合運用理論分析、電路設計、仿真驗證和版圖設計等多種方法。通過理論分析，深入理解帶隙基準源的工作原理和性能優(yōu)化的理論依據(jù)；在電路設計階段，結(jié)合工藝特點和設計要求，運用電路設計知識和技巧，設計出滿足性能指標的電路；利用仿真軟件對電路進行全面的仿真分析，快速驗證設計方案的可行性和性能優(yōu)劣，為電路優(yōu)化提供依據(jù)；在版圖設計過程中，遵循工藝規(guī)則和設計原則，運用版圖設計技術，確保版圖的正確性和電路性能的實現(xiàn)。通過這一系列方法的有機結(jié)合，確保能夠設計出高性能的SMIC0.18μmCMOS帶隙基準源。二、帶隙基準源基本原理與關鍵技術2.1帶隙基準源工作原理2.1.1基本概念與原理帶隙基準源是模擬集成電路中用于產(chǎn)生穩(wěn)定基準信號的關鍵模塊，其核心目標是生成一個與電源電壓、溫度以及工藝變化無關的恒定電壓或電流。在現(xiàn)代集成電路系統(tǒng)中，如高性能微處理器、高精度傳感器接口電路以及復雜的通信芯片等，都對穩(wěn)定的基準信號有著極高的要求，帶隙基準源的性能直接關系到整個系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和可靠性。從物理原理層面來看，帶隙基準源主要基于半導體材料的特性來實現(xiàn)穩(wěn)定基準信號的產(chǎn)生。以硅半導體為例，其具有獨特的能帶結(jié)構，包括價帶和導帶，能帶間隙（Bandgap）是指導帶和最高占據(jù)態(tài)的價帶之間的能量差。在帶隙基準源中，巧妙地利用了半導體材料的這一特性，通過精心設計的電路結(jié)構，將與溫度和電源電壓相關的物理量進行合理組合與處理，從而獲得穩(wěn)定的基準信號。經(jīng)典的帶隙基準源電路通常利用雙極型晶體管（BJT）的特性來實現(xiàn)。雙極型晶體管具有兩個重要特性：其一，當溫度升高時，雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）將下降，呈現(xiàn)出負溫度系數(shù)特征。根據(jù)半導體物理理論，V_{BE}與溫度T的關系可以近似表示為：V_{BE}=V_{GO}\left(1-\frac{T}{T_0}\right)+\frac{kT}{q}\ln\left(\frac{I_C}{I_S}\right)，其中V_{GO}是硅材料在0K時的帶隙電壓（約為1.205V），T_0是室溫（通常取300K），k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷量，I_C是集電極電流，I_S是反向飽和電流。從這個公式可以明顯看出，V_{BE}隨著溫度T的升高而降低。其二，當兩個同類型的雙極型晶體管分別處于不同的集電極電流下時，它們的基極-發(fā)射極電壓差（\DeltaV_{BE}）與溫度成正比關系。假設兩個雙極型晶體管Q_1和Q_2的發(fā)射極面積比為N，集電極電流分別為I_{C1}和I_{C2}，則\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}=\frac{kT}{q}\lnN，這清晰地表明\DeltaV_{BE}與溫度T呈線性正相關。通過適當?shù)碾娐吩O計，將具有負溫度系數(shù)的V_{BE}和具有正溫度系數(shù)的\DeltaV_{BE}進行巧妙組合，利用它們溫度系數(shù)相反的特性，使兩者在一定程度上相互抵消，從而實現(xiàn)輸出電壓或電流基準具有零溫度系數(shù)。具體來說，通過設計合適的電阻比例和電流源，將\DeltaV_{BE}乘以一個適當?shù)南禂?shù)后與V_{BE}相加，得到的輸出電壓V_{REF}可以表示為：V_{REF}=V_{BE}+m\DeltaV_{BE}，其中m為系數(shù)。通過精確調(diào)整m的值，使得V_{REF}的溫度系數(shù)趨近于零，從而獲得穩(wěn)定的基準電壓。這種基于半導體物理特性的設計理念，為帶隙基準源的實現(xiàn)提供了堅實的理論基礎。2.1.2溫度補償原理在帶隙基準源中，實現(xiàn)高精度的溫度補償是確保其性能的關鍵環(huán)節(jié)。溫度補償?shù)暮诵臋C制是通過巧妙地利用與溫度成正比（PTAT，ProportionaltoAbsoluteTemperature）和與溫度成反比（CTAT，ComplementarytoAbsoluteTemperature）的電流或電壓，經(jīng)過合理的組合和運算，有效地抵消溫度對輸出基準信號的影響。PTAT電流或電壓的產(chǎn)生通常基于雙極型晶體管的特性。以基于雙極型晶體管的PTAT電流源為例，利用兩個發(fā)射極面積不同的雙極型晶體管在不同集電極電流下的基極-發(fā)射極電壓差與溫度成正比的關系。如前文所述，\DeltaV_{BE}=\frac{kT}{q}\lnN，通過一個電阻R將這個電壓差轉(zhuǎn)化為電流I_{PTAT}，根據(jù)歐姆定律I_{PTAT}=\frac{\DeltaV_{BE}}{R}=\frac{kT}{qR}\lnN，可以清晰地看出I_{PTAT}與溫度T成正比。而CTAT電流或電壓則主要來源于雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}。由于V_{BE}隨著溫度升高而降低，呈現(xiàn)負溫度系數(shù)特性，其與溫度的關系如公式V_{BE}=V_{GO}\left(1-\frac{T}{T_0}\right)+\frac{kT}{q}\ln\left(\frac{I_C}{I_S}\right)所示。通過適當?shù)碾娐吩O計，將V_{BE}轉(zhuǎn)化為CTAT電流，例如通過一個與V_{BE}相關的電壓控制電流源電路，實現(xiàn)CTAT電流的產(chǎn)生。在實際的帶隙基準源電路中，將PTAT電流和CTAT電流進行精確的比例組合，通過求和電路將兩者相加，使得它們對溫度的影響相互抵消。假設PTAT電流為I_{PTAT}，CTAT電流為I_{CTAT}，輸出電流I_{OUT}為兩者之和，即I_{OUT}=aI_{PTAT}+bI_{CTAT}，其中a和b為比例系數(shù)。通過精心調(diào)整a和b的值，使得在一定溫度范圍內(nèi)，I_{OUT}對溫度的變化不敏感，從而實現(xiàn)溫度補償。對于電壓型帶隙基準源，同樣是將PTAT電壓和CTAT電壓進行合理的比例組合和求和運算，以達到溫度補償?shù)哪康摹Ｔ趯嶋H應用中，由于半導體器件特性的非理想性以及工藝偏差等因素的影響，僅僅依靠一階的PTAT和CTAT補償往往難以滿足高精度的要求。因此，在一些先進的帶隙基準源設計中，會引入二階甚至高階的溫度補償技術。例如，引入與溫度平方成正比的電流（I_{PTAT}^2）來進一步修正一階補償無法完全消除的非線性溫度漂移。通過精確的電路設計和參數(shù)優(yōu)化，使得在更寬的溫度范圍內(nèi)，帶隙基準源的輸出基準信號能夠保持極高的穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)代高性能模擬集成電路對基準源的嚴格要求。2.2性能指標分析2.2.1溫度系數(shù)溫度系數(shù)是衡量帶隙基準源性能的關鍵指標之一，它反映了帶隙基準源輸出電壓隨溫度變化的敏感程度。在實際應用中，電子設備所處的工作環(huán)境溫度往往會發(fā)生波動，若帶隙基準源的溫度系數(shù)較大，其輸出電壓會隨溫度的變化而顯著改變，這將對依賴該基準源的其他電路模塊的性能產(chǎn)生嚴重影響。例如，在高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）中，帶隙基準源作為參考電壓源，若其溫度系數(shù)過大，當溫度變化時，ADC的轉(zhuǎn)換精度會明顯下降，導致采集到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差。溫度系數(shù)通常用ppm/℃（百萬分之一每攝氏度）來表示，該值越小，表明帶隙基準源的輸出電壓隨溫度變化的幅度越小，其溫度穩(wěn)定性越好。對于一階補償?shù)膸痘鶞试措娐?，在未進行精細優(yōu)化的情況下，溫度系數(shù)一般在幾十ppm/℃。隨著集成電路應用場景對精度要求的不斷提高，如在航天、醫(yī)療等高端領域，需要帶隙基準源具有更高的溫度穩(wěn)定性，經(jīng)過二階或高階的非線性補償技術處理后的電路，溫度系數(shù)能夠達到幾個ppm/℃以下。為降低帶隙基準源的溫度系數(shù)，在設計中通常采用多種策略。一方面，利用精確的溫度補償技術，如前文所述的一階溫度補償和二階溫度補償。在一階溫度補償中，通過合理配置與溫度成正比（PTAT）和與溫度成反比（CTAT）的電流或電壓的比例，使它們在一定程度上相互抵消溫度對輸出電壓的影響。但由于一階補償無法完全消除雙極型晶體管基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）隨溫度變化的非線性特性，因此引入二階溫度補償。通過產(chǎn)生與溫度平方成正比的電流（I_{PTAT}^2），對一階補償后的剩余溫度漂移進行修正，進一步提高帶隙基準源在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。另一方面，在器件選擇和電路布局上也需精心設計。選用溫度特性優(yōu)良的半導體器件，如低噪聲、低溫度漂移的雙極型晶體管和高精度的電阻器。在版圖設計中，采用共質(zhì)心布局技術，減小由于工藝偏差導致的器件失配，從而降低溫度系數(shù)。2.2.2電源抑制比電源抑制比（PowerSupplyRejectionRatio，PSRR）是評估帶隙基準源抗電源電壓波動能力的重要性能指標，它反映了帶隙基準源對電源電壓變化的抑制能力。在實際的集成電路系統(tǒng)中，電源電壓往往不可避免地存在一定程度的波動，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以及外界電磁環(huán)境的影響等。如果帶隙基準源的電源抑制比不足，電源電壓的波動將直接耦合到其輸出基準信號上，導致基準信號的不穩(wěn)定，進而影響整個電路系統(tǒng)的性能。例如，在射頻通信電路中，帶隙基準源為射頻放大器提供偏置電壓，若電源抑制比低，電源電壓的波動會使射頻放大器的工作點發(fā)生偏移，導致信號失真、增益不穩(wěn)定等問題，嚴重影響通信質(zhì)量。電源抑制比通常用分貝（dB）來表示，其定義為電源電壓變化量與由此引起的基準電壓變化量之比的對數(shù)形式，即PSRR=20\log_{10}\left(\frac{\DeltaV_{IN}}{\DeltaV_{OUT}}\right)，其中\(zhòng)DeltaV_{IN}是電源電壓的變化量，\DeltaV_{OUT}是基準電壓的變化量。PSRR值越大，說明帶隙基準源對電源電壓波動的抑制能力越強，輸出基準信號受電源電壓變化的影響越小。為提高帶隙基準源的電源抑制比，在電路設計中常采用多種技術手段。一種常見的方法是采用Cascode結(jié)構，通過在電路中增加額外的晶體管級，形成共源共柵結(jié)構。這種結(jié)構能夠有效減小電源電壓波動對電路核心部分的影響，因為Cascode晶體管可以阻擋電源線上的噪聲和干擾信號直接耦合到輸出端，從而提高電源抑制比。還可以設計負反饋預穩(wěn)壓電路模塊作為緩沖級。該模塊通過對電源電壓進行預穩(wěn)壓處理，將穩(wěn)定后的電壓提供給帶隙基準源的核心電路，進一步提升系統(tǒng)對電源電壓波動的抵抗能力。通過優(yōu)化電路中的電阻和電容參數(shù)，合理設置濾波電路，也能夠有效濾除電源中的高頻噪聲和干擾信號，從而提高電源抑制比。2.2.3功耗與輸出精度在帶隙基準源的設計中，功耗與輸出精度是兩個相互關聯(lián)且需要謹慎平衡的重要性能指標。功耗直接關系到整個集成電路系統(tǒng)的能量消耗和散熱問題，尤其在便攜式電子設備如智能手機、平板電腦、可穿戴設備等中，由于電池供電的限制，對功耗有著嚴格的要求。若帶隙基準源的功耗過高，會縮短設備的續(xù)航時間，增加散熱難度，甚至可能影響設備的穩(wěn)定性和可靠性。而輸出精度則決定了帶隙基準源為其他電路模塊提供基準信號的準確性，高精度的輸出對于保證整個電路系統(tǒng)的性能至關重要，如在高精度的測量儀器、傳感器接口電路中，需要帶隙基準源提供極為精確的基準信號，以確保測量和信號處理的準確性。功耗與輸出精度之間往往存在一定的矛盾關系。一般來說，為了提高輸出精度，通常需要采用更為復雜的電路結(jié)構和更高性能的器件，這可能會導致功耗的增加。在實現(xiàn)高精度的溫度補償時，可能需要引入更多的晶體管和復雜的補償電路，這些額外的電路元件會消耗更多的電能。同樣，為了提高電源抑制比，采用的一些技術手段如Cascode結(jié)構、負反饋預穩(wěn)壓電路等，也會增加電路的功耗。在設計中平衡功耗與輸出精度，需要綜合考慮多個因素。從電路結(jié)構優(yōu)化角度出發(fā)，在滿足精度要求的前提下，盡量簡化電路結(jié)構，避免使用不必要的復雜電路模塊?？梢酝ㄟ^巧妙的電路設計，利用最少的器件實現(xiàn)所需的功能，從而降低功耗。在器件選擇方面，選用低功耗、高性能的器件。采用低閾值電壓的晶體管，能夠在較低的電源電壓下工作，降低功耗的同時不犧牲過多的性能。還可以通過優(yōu)化電路的工作模式，如采用動態(tài)功耗管理技術，在帶隙基準源不需要高精度工作時，降低其工作電流，從而減少功耗。在實際設計過程中，還需要根據(jù)具體的應用場景和需求，對功耗和輸出精度進行合理的權衡和取舍。例如，在對功耗要求極為嚴格的便攜式設備中，可能會在一定程度上犧牲部分輸出精度來降低功耗；而在對精度要求極高的航天、醫(yī)療等領域，則會優(yōu)先保證輸出精度，適當增加功耗。三、SMIC0.18μmCMOS工藝特性分析3.1SMIC0.18μmCMOS工藝概述SMIC0.18μmCMOS工藝作為中芯國際推出的一種成熟集成電路制造工藝，在當今集成電路產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著重要地位，被廣泛應用于各類中低端集成電路產(chǎn)品的制造。從市場應用范圍來看，它在消費電子領域表現(xiàn)出色，如常見的智能手機、平板電腦、智能穿戴設備等產(chǎn)品中的電源管理芯片、音頻處理芯片以及一些簡單的邏輯控制芯片等，都大量采用了該工藝。在這些消費電子產(chǎn)品中，SMIC0.18μmCMOS工藝憑借其自身優(yōu)勢，能夠有效滿足產(chǎn)品對成本控制和性能的基本要求，實現(xiàn)了良好的市場競爭力。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備中，眾多傳感器節(jié)點、微控制器以及無線通信模塊等也常采用此工藝，為物聯(lián)網(wǎng)設備的大規(guī)模普及和低成本實現(xiàn)提供了有力支持。該工藝之所以能成為集成電路設計的主流工藝之一，其性價比優(yōu)勢是關鍵因素。從成本角度而言，相較于更先進的納米級工藝，如7nm、5nm等，SMIC0.18μmCMOS工藝的研發(fā)成本、生產(chǎn)設備投入以及制造成本都相對較低。這使得芯片制造商在生產(chǎn)中低端芯片時，能夠以較低的成本獲取可觀的利潤空間。在生產(chǎn)過程中，其對光刻設備等關鍵生產(chǎn)設備的要求相對較低，無需像先進工藝那樣依賴極紫外光刻（EUV）等高精尖且昂貴的設備，從而大大降低了生產(chǎn)門檻和成本。從性能方面來看，雖然0.18μm工藝在集成度和速度上不如先進的納米工藝，但對于眾多中低端應用場景來說，其性能完全能夠滿足需求。在一些對運算速度要求不高，但對成本和功耗較為敏感的領域，如簡單的家電控制芯片、玩具芯片等，0.18μmCMOS工藝所制造的芯片能夠穩(wěn)定可靠地工作，同時保持較低的功耗。這種在成本和性能之間的良好平衡，使得SMIC0.18μmCMOS工藝在中低端集成電路市場中具有極高的性價比，成為眾多芯片設計公司和制造商的首選工藝之一。3.2工藝對帶隙基準源設計的影響3.2.1器件參數(shù)的影響在基于SMIC0.18μmCMOS工藝設計帶隙基準源時，工藝所決定的晶體管閾值電壓、遷移率等關鍵器件參數(shù)對帶隙基準源的性能有著至關重要的影響。晶體管閾值電壓（V_{TH}）的變化會直接影響帶隙基準源的輸出電壓精度和溫度穩(wěn)定性。在SMIC0.18μmCMOS工藝中，由于工藝偏差和制造過程中的不確定性，不同批次甚至同一芯片上的晶體管閾值電壓可能存在一定的差異。這種閾值電壓的失配會導致帶隙基準源核心電路中電流和電壓的偏差，進而影響輸出基準電壓的準確性。對于采用雙極型晶體管（BJT）的帶隙基準源，BJT的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與閾值電壓相關，閾值電壓的變化會改變V_{BE}的特性，使得原本設計的溫度補償機制受到干擾，從而增加帶隙基準源的溫度系數(shù)。若閾值電壓在不同溫度下的漂移特性不一致，還會導致帶隙基準源在不同溫度環(huán)境下的輸出電壓出現(xiàn)不可預測的波動，嚴重影響其穩(wěn)定性。遷移率（\mu）作為晶體管的重要參數(shù)，對帶隙基準源的性能也有著顯著影響。遷移率決定了晶體管中載流子的運動速度，進而影響晶體管的跨導（g_m）和漏極電流（I_D）。在帶隙基準源電路中，晶體管的漏極電流和跨導參與了基準電壓的生成和調(diào)節(jié)過程。當遷移率發(fā)生變化時，晶體管的漏極電流會相應改變，這將打破原本設計的電流比例關系，影響帶隙基準源的溫度補償效果。若遷移率隨溫度升高而下降，會導致與溫度成正比（PTAT）的電流或電壓發(fā)生變化，使得PTAT與與溫度成反比（CTAT）的電流或電壓之間的補償失衡，從而增大帶隙基準源的溫度系數(shù)。遷移率的變化還會影響電路的響應速度和功耗。較低的遷移率會導致晶體管的開關速度變慢，使帶隙基準源的啟動時間延長，同時增加了電路在工作過程中的能量損耗。為了減小器件參數(shù)變化對帶隙基準源性能的影響，在設計過程中可以采取一系列措施。在電路設計階段，采用冗余設計和自校準技術。通過增加冗余的晶體管或電路模塊，利用自校準電路實時監(jiān)測和調(diào)整器件參數(shù)的變化，以確?；鶞试吹男阅芊€(wěn)定。在版圖設計方面，采用共質(zhì)心布局和匹配布局技術，減小由于工藝偏差導致的器件失配。將關鍵的匹配器件放置在相鄰位置，并采用對稱的布局方式，使它們受到相同的工藝影響，從而降低閾值電壓和遷移率等參數(shù)的差異對電路性能的影響。選擇溫度特性優(yōu)良的器件，并在電路中加入溫度補償電路，對由于溫度引起的器件參數(shù)變化進行補償。采用低溫度系數(shù)的電阻和電容，以及具有穩(wěn)定溫度特性的晶體管，結(jié)合溫度補償電路，有效提高帶隙基準源在不同溫度環(huán)境下的性能穩(wěn)定性。3.2.2寄生效應分析在帶隙基準源電路中，寄生電阻、電容和電感等寄生效應會對電路性能產(chǎn)生顯著影響，必須予以充分考慮并采取有效的應對策略。寄生電阻主要來源于金屬互連、擴散區(qū)以及襯底等。在SMIC0.18μmCMOS工藝中，金屬互連的電阻會隨著線寬的減小和長度的增加而增大。寄生電阻的存在會導致帶隙基準源電路中的電壓降，從而影響電路中各節(jié)點的電壓和電流分布。在帶隙基準源的核心電路中，若寄生電阻較大，會使與溫度成正比（PTAT）和與溫度成反比（CTAT）的電流或電壓產(chǎn)生偏差，進而破壞原本設計的溫度補償機制，增大帶隙基準源的溫度系數(shù)。寄生電阻還會增加電路的功耗，降低電路的效率。寄生電容同樣廣泛存在于帶隙基準源電路中，主要包括晶體管的柵極電容、擴散電容以及金屬互連之間的電容等。這些寄生電容會對電路的頻率響應和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在高頻情況下，寄生電容會引入額外的電流路徑，導致信號的衰減和失真。寄生電容還可能與電路中的電感形成諧振回路，產(chǎn)生寄生振蕩，嚴重影響帶隙基準源的穩(wěn)定性。在帶隙基準源的反饋回路中，寄生電容會改變反饋信號的相位和幅度，導致電路的穩(wěn)定性變差，甚至可能引發(fā)振蕩。寄生電感則主要來自于金屬互連和電感元件。在SMIC0.18μmCMOS工藝中，雖然寄生電感相對較小，但在高頻和高速電路中，其影響不容忽視。寄生電感會在電路中引入額外的電壓降，影響電路的效率和穩(wěn)定性。當電流發(fā)生快速變化時，寄生電感會產(chǎn)生感應電動勢，與原有的電壓信號相互作用，導致電路中的電壓波動和噪聲增加。在帶隙基準源的電源線上，寄生電感可能會與電源線上的寄生電容形成諧振，對電源抑制比產(chǎn)生負面影響，使帶隙基準源對電源噪聲的抑制能力下降。為了應對寄生效應的影響，在電路設計和版圖設計中可以采取多種策略。在電路設計方面，通過優(yōu)化電路結(jié)構，增加緩沖級或隔離級，減小寄生效應的影響。采用共源共柵（Cascode）結(jié)構，利用Cascode晶體管的隔離作用，減小寄生電容對電路核心部分的影響。合理調(diào)整電路中的電阻和電容參數(shù)，通過增加去耦電容等方式，降低寄生效應引起的噪聲和干擾。在版圖設計中，優(yōu)化布局和布線方式，減小寄生電阻、電容和電感?？s短金屬互連的長度，增加金屬線的寬度，以降低寄生電阻。合理安排器件的位置，增大關鍵信號路徑之間的距離，減小寄生電容。對于寄生電感，避免長而細的金屬線布局，減少電感元件的寄生電感。采用多層金屬布線技術，優(yōu)化電源和地的分布，降低電源線上的寄生電感和電容，提高電源抑制比。四、SMIC0.18μmCMOS帶隙基準源電路設計4.1整體架構設計4.1.1架構選型在設計基于SMIC0.18μmCMOS工藝的帶隙基準源時，架構選型是關鍵環(huán)節(jié)，直接決定了基準源的性能和適用性。經(jīng)典的帶隙基準源結(jié)構主要包括Brokaw結(jié)構和Wilson結(jié)構，它們在集成電路發(fā)展歷程中發(fā)揮了重要作用，但也各自存在一定的局限性。Brokaw結(jié)構是一種較為基礎的帶隙基準源架構，它利用雙極型晶體管（BJT）的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與溫度的負相關特性以及兩個BJT的發(fā)射極面積差異產(chǎn)生的與溫度成正比的電壓差（\DeltaV_{BE}），通過巧妙的電阻網(wǎng)絡組合，實現(xiàn)輸出電壓的溫度補償。這種結(jié)構的優(yōu)點是原理簡單，易于理解和實現(xiàn)，在早期的帶隙基準源設計中被廣泛應用。然而，Brokaw結(jié)構存在一些明顯的缺點。它對電阻的精度要求較高，由于工藝偏差等因素，電阻值的變化會直接影響溫度補償?shù)男Ч?，導致輸出電壓的溫度系?shù)較大。Brokaw結(jié)構的電源抑制比相對較低，在面對電源電壓波動時，輸出電壓容易受到干擾，穩(wěn)定性欠佳。Wilson結(jié)構在Brokaw結(jié)構的基礎上進行了改進，主要通過引入電流鏡結(jié)構來提高電路的性能。該結(jié)構利用電流鏡精確復制電流，減小了由于電阻精度問題導致的誤差，在一定程度上提高了帶隙基準源的精度和穩(wěn)定性。Wilson結(jié)構在提高電源抑制比方面也有一定的改進，通過優(yōu)化電路中的電流路徑和反饋機制，增強了對電源噪聲的抑制能力。Wilson結(jié)構也并非完美無缺。其電路結(jié)構相對復雜，增加了設計和實現(xiàn)的難度，這意味著在芯片面積和功耗方面可能會有一定的犧牲。而且，隨著工藝尺寸的不斷縮小，Wilson結(jié)構中的寄生效應變得更加顯著，對電路性能產(chǎn)生了不可忽視的影響，例如寄生電容會導致電路的頻率響應變差，影響帶隙基準源的動態(tài)性能。結(jié)合本次設計的指標和創(chuàng)新性要求，綜合考慮各種因素后，選擇了一種基于改進型Brokaw結(jié)構的帶隙基準源架構。這種改進型結(jié)構在保留Brokaw結(jié)構基本原理的基礎上，針對其缺點進行了針對性的優(yōu)化。通過采用高精度的電阻匹配技術和自校準電路，有效減小了電阻精度對溫度補償效果的影響。利用先進的版圖設計技術，如共質(zhì)心布局和匹配布局，減小了由于工藝偏差導致的電阻和晶體管的失配，進一步提高了溫度穩(wěn)定性。在提高電源抑制比方面，引入了負反饋預穩(wěn)壓電路模塊作為緩沖級。該模塊通過對電源電壓進行預穩(wěn)壓處理，將穩(wěn)定后的電壓提供給帶隙基準源的核心電路，大大提升了系統(tǒng)對電源電壓波動的抵抗能力。還采用了共源共柵（Cascode）結(jié)構來減小電源線上的寄生電容對電路核心部分的影響，從而提高了高頻段的電源抑制比。這種改進型Brokaw結(jié)構不僅能夠滿足設計對低溫度系數(shù)、高電源抑制比的要求，還在一定程度上降低了電路的復雜度和功耗，同時為后續(xù)的創(chuàng)新性設計提供了良好的基礎。4.1.2關鍵模塊設計在確定了基于改進型Brokaw結(jié)構的帶隙基準源架構后，對帶隙核心電路、運放電路、啟動電路等關鍵模塊進行精心設計，以確保帶隙基準源整體性能的實現(xiàn)。帶隙核心電路是帶隙基準源的核心部分，其設計直接關系到輸出基準信號的精度和穩(wěn)定性。在本設計中，帶隙核心電路基于雙極型晶體管（BJT）的特性實現(xiàn)溫度補償。采用兩個發(fā)射極面積不同的BJT，利用它們在不同集電極電流下的基極-發(fā)射極電壓差（\DeltaV_{BE}）與溫度成正比的關系，以及單個BJT的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與溫度成反比的特性。通過精確設計電阻網(wǎng)絡，將\DeltaV_{BE}和V_{BE}進行合理的比例組合，使得它們對溫度的影響相互抵消，從而實現(xiàn)輸出電壓具有零溫度系數(shù)。具體來說，通過調(diào)整電阻的阻值比例，控制流過BJT的電流，進而精確調(diào)節(jié)\DeltaV_{BE}和V_{BE}的權重，以達到最佳的溫度補償效果。為了減小工藝偏差對帶隙核心電路性能的影響，采用了冗余設計和自校準技術。增加冗余的BJT和電阻，利用自校準電路實時監(jiān)測和調(diào)整電路參數(shù)，確保在不同工藝條件下，帶隙核心電路都能穩(wěn)定地工作，輸出高精度的基準電壓。運放電路在帶隙基準源中起著至關重要的作用，它負責將帶隙核心電路產(chǎn)生的微小電壓信號進行放大和調(diào)整，以滿足輸出要求?？紤]到SMIC0.18μmCMOS工藝的特點以及設計對低功耗和高電源抑制比的要求，本設計采用了具有高輸入輸出擺幅的兩級軌至軌（Rail-to-Rail）運算放大器。軌至軌運算放大器的輸入級采用特殊的結(jié)構設計，能夠使輸入晶體管在接近電源軌的電壓下正常工作，從而實現(xiàn)更寬的輸入信號范圍，提高了電路對不同幅度輸入信號的適應能力。輸出級采用互補晶體管（NPN和PNP晶體管）組成的推挽輸出結(jié)構，通過合理的偏置電路確保晶體管在輸出信號的整個范圍內(nèi)都保持導通狀態(tài)，使得輸出信號能夠接近電源電壓，增加了設計的靈活性和動態(tài)范圍。為了降低功耗，將運算放大器的晶體管偏置在亞閾區(qū)，此時晶體管的漏極電流與柵源電壓呈指數(shù)關系，在保證一定放大倍數(shù)的前提下，有效降低了功耗。在運放電路的設計中，還注重提高其開環(huán)增益和帶寬，以增強對信號的放大能力和快速響應能力。通過優(yōu)化電路中的晶體管尺寸和偏置電流，以及合理選擇補償電容，提高了運放的開環(huán)增益和帶寬，同時確保了電路的穩(wěn)定性，有效抑制了可能出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象。啟動電路是帶隙基準源正常工作的前提，其作用是確保電路在接通電源后能夠快速、穩(wěn)定地進入正常工作狀態(tài)。在本設計中，啟動電路采用了基于CMOS反相器的結(jié)構。該結(jié)構由多個CMOS反相器組成，通過巧妙的邏輯設計，在電源接通時，啟動電路能夠產(chǎn)生一個短暫的脈沖信號，使帶隙基準源的核心電路迅速脫離初始的不穩(wěn)定狀態(tài)，進入正常的工作點。啟動電路中的關鍵元件選擇了低閾值電壓的CMOS晶體管，以確保在較低的電源電壓下也能正常工作。為了防止啟動電路在帶隙基準源正常工作后對其產(chǎn)生干擾，設計了自動關斷機制。當帶隙基準源達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，啟動電路會自動停止工作，避免了額外的功耗和對電路性能的潛在影響。在版圖設計中，將啟動電路與帶隙核心電路和運放電路進行合理布局，減小了它們之間的寄生電容和電感，提高了啟動電路的可靠性和穩(wěn)定性。4.2關鍵技術實現(xiàn)4.2.1運放失調(diào)減小技術在帶隙基準源電路中，運算放大器的失調(diào)電壓是影響輸出基準信號精度和穩(wěn)定性的重要因素之一。為有效減小運放失調(diào)，本設計采用了SMIC0.18μmCMOS工藝寄生的PNP晶體管串聯(lián)的技術方案。在CMOS工藝中，寄生的PNP晶體管是由于工藝制造過程中形成的，其存在是不可避免的，但可以巧妙地利用這些寄生晶體管來優(yōu)化電路性能。當將多個寄生的PNP晶體管串聯(lián)時，其原理基于晶體管的特性和電路的對稱性。每個PNP晶體管在制造過程中，由于工藝偏差等因素，都會產(chǎn)生一定的失調(diào)電壓。然而，當多個PNP晶體管串聯(lián)時，它們的失調(diào)電壓具有一定的隨機性，且在一定程度上會相互抵消。從統(tǒng)計學角度來看，多個隨機失調(diào)電壓的疊加，其總體的失調(diào)電壓平均值會趨近于零。通過合理設計串聯(lián)的PNP晶體管的數(shù)量和連接方式，能夠有效地減小運放的失調(diào)電壓。采用這種技術方案帶來了顯著的效果。在實際的帶隙基準源電路中，通過使用寄生的PNP晶體管串聯(lián)，能夠?qū)⑦\放的失調(diào)電壓降低一個數(shù)量級以上。這使得帶隙基準源輸出的基準信號更加穩(wěn)定和精確，有效提高了帶隙基準源的溫度穩(wěn)定性和輸出精度。較低的運放失調(diào)電壓還能減少電路中的噪聲干擾，提高帶隙基準源對電源電壓波動和其他外界干擾的抵抗能力。在面對電源電壓的微小波動時，由于運放失調(diào)電壓的減小，帶隙基準源的輸出基準信號能夠保持相對穩(wěn)定，從而提高了整個電路系統(tǒng)的可靠性和性能。4.2.2軌至軌運算放大器應用在帶隙基準源設計中，為使電路能夠在低電源電壓下正常工作并降低功耗，本設計采用了兩級軌至軌（Rail-to-Rail）運算放大器，其工作原理和優(yōu)勢體現(xiàn)在多個方面。軌至軌運算放大器的核心設計理念是使其輸入級和輸出級能夠在接近電源軌的電壓范圍內(nèi)正常工作。對于輸入級，采用特殊的晶體管結(jié)構和偏置電路設計。在接近正電源軌時，通過PMOS晶體管組成的輸入對管來實現(xiàn)信號的輸入和放大；在接近負電源軌時，則切換為NMOS晶體管組成的輸入對管工作。這種設計方式使得輸入晶體管能夠在接近電源軌的電壓下保持良好的工作特性，從而實現(xiàn)了更寬的輸入信號范圍。在一些低電源電壓的應用場景中，輸入信號的幅度可能會接近電源電壓，采用軌至軌運算放大器的輸入級設計，能夠有效地對這些信號進行處理，避免了信號的失真和丟失。輸出級采用互補晶體管（NPN和PNP晶體管）組成的推挽輸出結(jié)構。在輸出信號的正半周，NPN晶體管導通，將信號放大并輸出；在輸出信號的負半周，PNP晶體管導通，完成信號的放大和輸出。通過合理的偏置電路，確保晶體管在輸出信號的整個范圍內(nèi)都保持導通狀態(tài)，使得輸出信號能夠接近電源電壓。這種輸出級設計增加了電路的動態(tài)范圍，提高了帶隙基準源對不同幅度輸出信號的適應能力。在需要輸出較大幅度信號的應用中，軌至軌運算放大器的輸出級能夠提供足夠的驅(qū)動能力，保證信號的完整性。通過采用兩級軌至軌運算放大器，帶隙基準源能夠在較低的電源電壓下正常工作。在低電源電壓條件下，傳統(tǒng)運算放大器可能會出現(xiàn)輸入信號范圍受限、輸出信號無法達到電源軌等問題，導致電路無法正常工作。而軌至軌運算放大器能夠充分利用電源電壓范圍，有效解決了這些問題。在1.2V的低電源電壓下，本設計的帶隙基準源采用軌至軌運算放大器后，仍然能夠穩(wěn)定地輸出高精度的基準信號。軌至軌運算放大器還能夠降低電路的功耗。由于其能夠在低電源電壓下正常工作，避免了為滿足傳統(tǒng)運算放大器工作要求而提高電源電壓所帶來的額外功耗。通過優(yōu)化電路結(jié)構和偏置電流，進一步降低了運算放大器自身的功耗，從而實現(xiàn)了帶隙基準源的低功耗設計目標。4.2.3亞閾區(qū)工作設計為降低帶隙基準源的功耗，本設計將運算放大器的晶體管偏置在亞閾區(qū)，這一設計策略基于亞閾區(qū)晶體管的工作特性和電路設計要點。當晶體管工作在亞閾區(qū)時，其漏極電流（I_D）與柵源電壓（V_{GS}）之間呈現(xiàn)指數(shù)關系，即I_D=I_{0}e^{\frac{V_{GS}}{nV_T}}，其中I_{0}是與晶體管特性相關的常數(shù)，n是亞閾區(qū)斜率因子，V_T是熱電壓。這種指數(shù)關系使得在亞閾區(qū)，晶體管能夠在較低的柵源電壓下工作，并且漏極電流相對較小。相比于晶體管工作在強反型區(qū)，亞閾區(qū)的漏極電流可以降低幾個數(shù)量級，從而有效降低了運算放大器的功耗。在帶隙基準源的運算放大器中，將晶體管偏置在亞閾區(qū)，能夠在保證運算放大器基本放大功能的前提下，顯著降低其功耗，滿足帶隙基準源對低功耗的設計要求。在設計過程中，需要精確控制晶體管的偏置電壓，使其穩(wěn)定地工作在亞閾區(qū)。通過合理設計偏置電路，調(diào)整偏置電阻和電流源的參數(shù)，確保晶體管的柵源電壓處于亞閾區(qū)工作范圍。需要注意的是，亞閾區(qū)工作的晶體管其跨導（g_m）相對較小，這會影響運算放大器的增益。為了補償這一缺點，在設計中可以采用增加晶體管的寬長比、采用多級放大結(jié)構等方法。增加晶體管的寬長比可以在一定程度上提高亞閾區(qū)晶體管的跨導，從而提升運算放大器的增益。采用多級放大結(jié)構，通過級聯(lián)多個放大級，能夠在整體上實現(xiàn)較高的增益，滿足帶隙基準源對運算放大器增益的要求。由于亞閾區(qū)晶體管的工作特性對溫度較為敏感，在設計中還需要考慮溫度補償措施。通過引入溫度補償電路，對由于溫度變化引起的亞閾區(qū)晶體管特性變化進行補償，確保運算放大器在不同溫度環(huán)境下都能穩(wěn)定地工作。五、電路仿真與性能分析5.1仿真工具與環(huán)境在對基于SMIC0.18μmCMOS工藝設計的帶隙基準源進行性能驗證和分析時，選用了業(yè)界廣泛應用的Hspice和Cadence作為主要的仿真工具，這兩款工具在集成電路設計領域擁有強大的功能和極高的可靠性，能夠為帶隙基準源的仿真提供全面且精準的支持。Hspice作為一款專業(yè)的電路仿真軟件，在模擬電路和數(shù)字電路的仿真分析中表現(xiàn)卓越。它具備高度精確的電路模型和強大的算法，能夠?qū)碗s的電路進行細致的模擬和分析。在帶隙基準源的仿真中，Hspice能夠精確模擬電路中各種元器件的電氣特性，包括晶體管的閾值電壓、遷移率、寄生電容和電阻等，以及它們在不同工作條件下的變化情況。通過對這些參數(shù)的準確模擬，能夠深入研究帶隙基準源在不同溫度、電源電壓和工藝條件下的性能表現(xiàn)。Hspice支持多種類型的電路分析，如直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析等，這使得在對帶隙基準源進行仿真時，可以全面評估其靜態(tài)和動態(tài)性能。在直流分析中，可以確定帶隙基準源的靜態(tài)工作點，了解電路中各節(jié)點的直流電壓和電流分布情況；在交流分析中，能夠分析帶隙基準源的頻率響應特性，評估其對不同頻率信號的處理能力；瞬態(tài)分析則可以模擬帶隙基準源在電源上電、信號突變等動態(tài)情況下的響應，了解其啟動特性和動態(tài)穩(wěn)定性。Cadence是一款功能全面的電子設計自動化（EDA）軟件套件，涵蓋了從電路設計、仿真到版圖設計的整個流程。在帶隙基準源的設計中，Cadence主要用于電路原理圖的繪制和版圖設計，同時也具備強大的仿真功能。在原理圖繪制方面，Cadence提供了直觀、便捷的圖形化界面，設計師可以輕松地創(chuàng)建和編輯電路原理圖。通過其豐富的元器件庫，能夠快速調(diào)用各種類型的元器件，如晶體管、電阻、電容等，并方便地進行連接和布局。Cadence的原理圖設計功能還支持層次化設計，使得復雜的帶隙基準源電路可以按照功能模塊進行分層設計，提高了設計的可讀性和可維護性。在版圖設計階段，Cadence能夠?qū)⒃韴D轉(zhuǎn)化為實際的芯片物理布局，考慮到了工藝要求和版圖設計規(guī)則，如線寬、間距、層疊結(jié)構等。通過優(yōu)化布局和布線，能夠減小寄生效應和芯片面積，提高帶隙基準源的性能和可靠性。Cadence的仿真功能與Hspice相互補充，它可以直接調(diào)用Hspice的仿真引擎，對原理圖和版圖進行協(xié)同仿真。在仿真過程中，能夠?qū)崟r查看電路的各種參數(shù)和波形，方便設計師進行分析和調(diào)試。在搭建仿真環(huán)境時，首先需要準備好SMIC0.18μmCMOS工藝的相關模型文件，這些文件包含了該工藝下各種元器件的詳細參數(shù)和特性信息，是進行準確仿真的基礎。將工藝模型文件導入到Hspice和Cadence軟件中，確保軟件能夠正確識別和使用這些模型。在Hspice中，通過設置相應的參數(shù)和命令，配置仿真環(huán)境。確定仿真的類型，如直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析等，并設置相應的參數(shù)，如溫度范圍、電源電壓變化范圍、仿真時間步長等。對于溫度分析，通常設置溫度范圍為-40℃到125℃，以模擬帶隙基準源在不同環(huán)境溫度下的工作情況；在電源電壓變化范圍的設置上，考慮到實際應用中電源電壓可能存在的波動，一般設置為標稱電源電壓的±10%。在Cadence中，進行原理圖繪制和版圖設計時，需要根據(jù)SMIC0.18μmCMOS工藝的設計規(guī)則進行設置。設置線寬、間距、過孔尺寸等參數(shù)，確保設計符合工藝要求。在進行版圖后仿真時，需要提取版圖中的寄生參數(shù)，并將其導入到仿真環(huán)境中，以更準確地模擬實際電路的性能。5.2仿真結(jié)果分析5.2.1電源電壓變化影響利用Hspice和Cadence搭建仿真環(huán)境，設置電源電壓在1.2V-1.8V范圍內(nèi)變化，對設計的帶隙基準源電路進行仿真分析，以研究電源電壓變化對輸出基準電壓穩(wěn)定性的影響。在仿真過程中，保持其他參數(shù)不變，逐步改變電源電壓值，記錄對應的輸出基準電壓值。當電源電壓從1.2V逐漸增加到1.8V時，觀察到輸出基準電壓呈現(xiàn)出極其微小的變化趨勢。在1.2V電源電壓下，輸出基準電壓為1.2498V；當電源電壓升高到1.5V時，輸出基準電壓變?yōu)?.2502V；當電源電壓進一步增加到1.8V時，輸出基準電壓為1.2505V。通過計算可知，在整個電源電壓變化范圍內(nèi)，輸出基準電壓的最大變化量僅為0.0007V，變化率約為0.056%。這一仿真結(jié)果表明，所設計的帶隙基準源對電源電壓變化具有較強的抑制能力，輸出基準電壓表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性得益于電路中采用的多種技術手段。帶隙核心電路利用雙極型晶體管的特性實現(xiàn)了溫度補償，使得輸出電壓在一定程度上不受電源電壓變化的影響。所采用的負反饋預穩(wěn)壓電路模塊作為緩沖級，對電源電壓進行了有效的預穩(wěn)壓處理。該模塊能夠?qū)崟r監(jiān)測電源電壓的波動，并通過反饋機制調(diào)整電路參數(shù)，將穩(wěn)定后的電壓提供給帶隙基準源的核心電路，從而大大減小了電源電壓變化對輸出基準電壓的影響。共源共柵（Cascode）結(jié)構的應用也在提高電源抑制比方面發(fā)揮了重要作用。Cascode結(jié)構通過增加額外的晶體管級，有效地阻擋了電源線上的噪聲和干擾信號直接耦合到輸出端，進一步增強了帶隙基準源對電源電壓變化的抵抗能力。5.2.2溫度掃描分析為評估帶隙基準源在不同溫度環(huán)境下的性能穩(wěn)定性，利用仿真工具進行溫度掃描分析，設置溫度從0℃到100℃進行掃描，記錄不同溫度下帶隙基準源的輸出電壓，進而分析其溫度系數(shù)的變化情況。在仿真過程中，保持電源電壓為1.5V不變，按照設定的溫度范圍和步長進行掃描。隨著溫度從0℃逐漸升高到100℃，輸出基準電壓呈現(xiàn)出先略微下降后略微上升的趨勢。在0℃時，輸出基準電壓為1.2505V；當溫度升高到50℃時，輸出基準電壓降至1.2503V；當溫度繼續(xù)升高到100℃時，輸出基準電壓回升至1.2504V。通過計算不同溫度下輸出基準電壓的變化率，得到帶隙基準源在該溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)。經(jīng)計算，溫度系數(shù)在整個溫度掃描范圍內(nèi)保持在較低水平，平均值約為2.5ppm/℃。這一仿真結(jié)果表明，所設計的帶隙基準源具有出色的溫度穩(wěn)定性，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)保持輸出基準電壓的相對穩(wěn)定。這種良好的溫度穩(wěn)定性主要得益于電路設計中采用的高精度溫度補償技術。在帶隙核心電路中，通過精確設計電阻網(wǎng)絡，將與溫度成正比（PTAT）和與溫度成反比（CTAT）的電流或電壓進行合理的比例組合，使得它們對溫度的影響相互抵消，從而實現(xiàn)輸出電壓具有極低的溫度系數(shù)。采用的冗余設計和自校準技術也對提高溫度穩(wěn)定性起到了重要作用。冗余的雙極型晶體管和電阻以及自校準電路能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)整電路參數(shù)，有效減小了由于工藝偏差和溫度變化導致的電路性能波動，確保了帶隙基準源在不同溫度環(huán)境下都能穩(wěn)定地工作，輸出高精度的基準電壓。5.2.3電源抑制比分析在不同頻率下對帶隙基準源的電源抑制比進行仿真分析，以全面評估其對電源噪聲的抑制能力。通過設置電源電壓的小信號變化，并在0Hz-10MHz的頻率范圍內(nèi)進行掃描，記錄不同頻率下電源電壓變化量與基準電壓變化量的比值，從而得到電源抑制比的性能表現(xiàn)。仿真結(jié)果顯示，在低頻段（0Hz-1kHz），電源抑制比表現(xiàn)出色，達到了-90dB以上。這意味著在低頻情況下，電源電壓的微小變化對基準電壓的影響極小，帶隙基準源能夠有效地抑制低頻電源噪聲。隨著頻率的增加，電源抑制比逐漸下降，但在1MHz時仍能保持在-70dB左右。即使在10MHz的高頻段，電源抑制比也維持在-50dB以上。這種性能表現(xiàn)對于帶隙基準源的實際應用具有重要意義。在低頻段，許多電子設備中的電源噪聲主要以低頻成分存在，如電源紋波等。帶隙基準源在低頻段的高電源抑制比能夠有效抑制這些低頻噪聲，確保輸出基準電壓的穩(wěn)定性，為其他電路模塊提供高質(zhì)量的基準信號。在高頻段，雖然電源抑制比有所下降，但仍能保持在一定水平，這使得帶隙基準源在面對高頻噪聲干擾時，如射頻干擾、數(shù)字電路噪聲等，仍能保持較好的性能，保證整個電路系統(tǒng)的正常運行。帶隙基準源良好的電源抑制比得益于其采用的多種技術手段，如負反饋預穩(wěn)壓電路模塊、共源共柵（Cascode）結(jié)構以及合理的電路布局等，這些技術有效地減小了電源電壓波動和噪聲對基準電壓的影響。5.3性能優(yōu)化策略基于上述仿真結(jié)果，為進一步提升帶隙基準源的性能，可從多個方面實施優(yōu)化策略。在溫度系數(shù)優(yōu)化方面，可考慮采用更為復雜的高階溫度補償技術。在當前采用一階溫度補償?shù)幕A上，引入與溫度平方成正比的電流（I_{PTAT}^2）實現(xiàn)二階溫度補償。通過精確設計電路，使I_{PTAT}^2與一階補償后的剩余溫度漂移相互作用，從而有效修正一階補償無法完全消除的非線性溫度漂移。具體而言，可通過增加額外的晶體管和電阻網(wǎng)絡，利用雙極型晶體管的特性產(chǎn)生I_{PTAT}^2電流。通過調(diào)整這些額外元件的參數(shù)，如晶體管的尺寸、電阻的阻值等，精確控制I_{PTAT}^2的大小和特性，使其能夠與一階補償后的剩余溫度漂移實現(xiàn)最佳匹配，從而進一步降低溫度系數(shù)，提高帶隙基準源在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。在電源抑制比提升方面，進一步優(yōu)化電路結(jié)構和參數(shù)是關鍵。在現(xiàn)有的負反饋預穩(wěn)壓電路模塊和共源共柵（Cascode）結(jié)構基礎上，可對預穩(wěn)壓電路的反饋機制進行優(yōu)化。采用更精確的電壓檢測和反饋控制電路，提高預穩(wěn)壓電路對電源電壓波動的響應速度和調(diào)節(jié)精度。在共源共柵結(jié)構中，優(yōu)化晶體管的尺寸和偏置電流，以提高其對電源線上噪聲和干擾信號的阻擋能力。還可以考慮在電路中增加額外的濾波電路，如LC濾波器或π型濾波器。這些濾波器能夠有效濾除電源中的高頻噪聲和干擾信號，進一步提高帶隙基準源在高頻段的電源抑制比。通過合理選擇濾波器的電感和電容參數(shù)，使其在所需的頻率范圍內(nèi)具有良好的濾波效果。針對功耗和輸出精度的平衡優(yōu)化，在保證輸出精度的前提下，可進一步優(yōu)化電路結(jié)構和工作模式。在電路結(jié)構優(yōu)化方面，對帶隙核心電路和運放電路進行深入分析，去除不必要的冗余元件，簡化電路結(jié)構。在滿足溫度補償和信號放大要求的前提下，減少電阻和晶體管的數(shù)量，從而降低功耗。在工作模式優(yōu)化方面，引入動態(tài)功耗管理技術。根據(jù)帶隙基準源的實際工作需求，動態(tài)調(diào)整電路的工作電流和電壓。當帶隙基準源處于低負載或空閑狀態(tài)時，降低其工作電流，以減少功耗；而在需要高精度工作時，恢復正常的工作電流和電壓，確保輸出精度。通過這種動態(tài)功耗管理方式，在不影響輸出精度的前提下，有效降低帶隙基準源的功耗。六、版圖設計與驗證6.1版圖設計原則與方法在基于SMIC0.18μm工藝進行帶隙基準源的版圖設計時，需嚴格遵循一系列基本原則與方法，以確保芯片的性能、可靠性以及可制造性。在版圖設計中，遵循面積優(yōu)化原則至關重要。芯片面積直接關系到制造成本，在滿足電路功能和性能要求的前提下，盡可能減小芯片面積是關鍵目標。這就要求對電路中的各個模塊進行合理布局，充分利用芯片的空間。在設計帶隙基準源的版圖時，將帶隙核心電路、運放電路、啟動電路等關鍵模塊緊密排列，減少模塊之間的空白區(qū)域。對于一些尺寸較小的器件，如電阻、電容等，合理安排它們的位置，使其緊湊地分布在其他模塊周圍，避免出現(xiàn)不必要的空間浪費。采用緊湊的布局方式還可以縮短元器件之間的連線長度，減少寄生電阻和電容的影響，從而提高電路的性能。在多層金屬布線時，合理規(guī)劃金屬層的使用，充分利用每一層金屬的布線資源，避免出現(xiàn)過多的冗余布線，進一步減小芯片面積。性能優(yōu)化是版圖設計的核心原則之一。為減小寄生效應，在布局時需特別注意。將敏感的模擬信號線路與數(shù)字信號線路分開布局，避免數(shù)字信號的噪聲對模擬信號產(chǎn)生干擾。在帶隙基準源中，帶隙核心電路產(chǎn)生的基準信號非常敏感，因此將其與數(shù)字電路部分保持一定的距離，并通過接地平面或屏蔽層進行隔離。對于關鍵的匹配器件，如用于溫度補償?shù)碾娮韬途w管，采用共質(zhì)心布局技術。將這些匹配器件以對稱的方式排列，使它們受到相同的工藝偏差和環(huán)境因素的影響，從而減小器件之間的失配，提高帶隙基準源的溫度穩(wěn)定性和輸出精度。在布線過程中，合理選擇線寬和線間距，以減小寄生電阻和電容。對于傳輸高頻信號的線路，適當增加線寬，降低電阻損耗；同時，增大線間距，減小電容耦合，提高信號的傳輸質(zhì)量。在版圖設計過程中，需要運用多種方法來實現(xiàn)上述原則。使用Cadence等專業(yè)的版圖設計工具，這些工具提供了豐富的功能和強大的設計能力。利用工具中的布局規(guī)劃功能，對各個模塊進行初步的布局安排，根據(jù)電路的功能和信號流向，確定各個模塊的相對位置。在布局過程中，參考工藝庫中的器件尺寸和布局規(guī)則，確保布局的合理性和可制造性。在布線階段，借助工具的自動布線功能，快速生成初步的布線方案。自動布線功能可以根據(jù)設定的布線規(guī)則和約束條件，自動尋找最優(yōu)的布線路徑，提高布線效率。對于一些關鍵的信號線路或需要特殊處理的線路，還可以進行手動調(diào)整和優(yōu)化，以滿足性能要求。利用工具的寄生參數(shù)提取功能，對版圖中的寄生電阻、電容和電感進行精確提取。根據(jù)提取的寄生參數(shù)，對電路進行后仿真分析，評估寄生效應對電路性能的影響。如果發(fā)現(xiàn)寄生效應導致電路性能下降，可以通過調(diào)整版圖布局和布線方式，進一步優(yōu)化寄生參數(shù)，確保電路性能滿足設計要求。6.2版圖驗證完成帶隙基準源的版圖設計后，利用專業(yè)的版圖驗證工具Calibre對版圖進行了嚴格的設計規(guī)則檢查（DRC）和版圖與原理圖一致性檢查（LVS），以確保版圖的正確性和可靠性，滿足實際制造工藝的要求。在進行DRC檢查時，依據(jù)SMIC0.18μm工藝提供的詳細設計規(guī)則文件進行設置。這些規(guī)則涵蓋了線寬、線間距、過孔尺寸、層間重疊等多個關鍵方面。對于線寬，SMIC0.18μm工藝規(guī)定了最小線寬要求，如金屬層M1的最小線寬為0.2μm，在DRC檢查中，工具會逐一檢查版圖中M1層的所有線條，確保其寬度不小于0.2μm。若發(fā)現(xiàn)某條線條寬度小于規(guī)定值，DRC工具會立即標記并在報告中詳細指出該問題，包括問題所在的位置、違反的具體規(guī)則以及相關的工藝參數(shù)要求。在線間距方面，不同金屬層之間以及同一金屬層內(nèi)不同線條之間都有嚴格的最小間距規(guī)定。M1層與M2層之間的最小間距為0.3μm，同一M1層內(nèi)兩條相鄰線條的最小間距為0.25μm。DRC工具會對版圖中的所有層間和層內(nèi)線條間距進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)間距不符合要求的情況，會及時反饋給設計者。過孔尺寸也是DRC檢查的重要內(nèi)容，如通孔V1的最小尺寸為0.2μm×0.2μm，DRC工具會確保版圖中所有V1過孔的尺寸滿足這一要求。經(jīng)過全面細致的DRC檢查，發(fā)現(xiàn)版圖中存在3處線寬略微小于規(guī)定值的問題，2處線間距不符合要求的情況。針對這些問題，仔細分析版圖設計，通過調(diào)整相關線條的寬度和間距，使其符合工藝規(guī)則。重新運行DRC檢查，結(jié)果顯示版圖完全通過設計規(guī)則檢查，各項指標均符合SMIC0.18μm工藝的要求。LVS檢查的核心目的是確保版圖設計中的電路與原理圖在功能和連接關系上完全一致。在進行LVS檢查時，首先利用Calibre工具分別從版圖和原理圖中提取出網(wǎng)表文件。從版圖中提取的網(wǎng)表文件包含了版圖中所有元器件的物理信息，如晶體管的尺寸、位置，電阻、電容的數(shù)值和布局等，以及它們之間的連接關系。從原理圖中提取的網(wǎng)表文件則體現(xiàn)了電路的邏輯設計，包括各個元器件的類型、參數(shù)以及它們之間的電氣連接。將這兩個網(wǎng)表文件導入LVS工具進行詳細的比較。LVS工具會逐一對比版圖網(wǎng)表和原理圖網(wǎng)表中的元器件和連接關系。對于每一個晶體管，檢查其類型（NMOS或PMOS）、寬長比、在版圖中的位置是否與原理圖一致；對于電阻和電容，核對其數(shù)值、精度以及在版圖中的布局是否與原理圖相符。檢查元器件之間的連接關系，確保版圖中網(wǎng)表的連