基于曲率補(bǔ)償?shù)母唠娫匆种票葞痘鶞?zhǔn)源的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與優(yōu)化一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今高度集成化的電子系統(tǒng)中，模擬和數(shù)?；旌想娐钒缪葜e足輕重的角色，廣泛應(yīng)用于通信、計(jì)算機(jī)、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備等眾多領(lǐng)域。而帶隙基準(zhǔn)源作為模擬和數(shù)?；旌想娐分械年P(guān)鍵組成部分，為整個(gè)電路系統(tǒng)提供了穩(wěn)定且精確的參考電壓或電流，其性能優(yōu)劣直接決定了系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性以及可靠性。隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，芯片系統(tǒng)集成（SOC）技術(shù)受到了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在SOC中，數(shù)字集成模塊的噪聲容易通過(guò)電源和地耦合到模擬集成模塊，這就要求模擬集成模塊具備極高的電源抑制比（PSRR），以有效抑制電源噪聲對(duì)電路性能的影響。同時(shí)，移動(dòng)電子設(shè)備的日益普及，對(duì)模擬集成電路的電源電壓和功耗提出了更為嚴(yán)苛的要求，需要電源電壓能夠降至1V左右，功耗達(dá)到μW量級(jí)。帶隙基準(zhǔn)電壓源包括雙極型帶隙基準(zhǔn)源和CMOS帶隙基準(zhǔn)源，工藝條件寬泛，輸出電壓受溫度和電源電壓影響小，精度高，且基準(zhǔn)的初始精度、溫度系數(shù)、長(zhǎng)期漂移、噪聲電壓等性能指標(biāo)覆蓋面廣，適用于多種不同精度要求的系統(tǒng)，是目前性價(jià)比最高的電壓基準(zhǔn)。然而，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路存在諸多問(wèn)題，難以滿足現(xiàn)今集成電路設(shè)計(jì)的要求。在溫度特性方面，由于較大的溫度系數(shù)會(huì)導(dǎo)致電路輸出的波動(dòng)，而波動(dòng)的帶隙基準(zhǔn)源輸出又會(huì)影響電源管理芯片的穩(wěn)定性，對(duì)于要求高精度的電路而言，這種影響尤為明顯。例如，在一些精密測(cè)量?jī)x器中，溫度系數(shù)過(guò)大可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。在電源抑制比方面，隨著射頻IC以及數(shù)?；旌想娐返牟粩喟l(fā)展，高頻噪聲以及數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲在一定程度上影響著電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制比不足，電源噪聲將直接耦合到輸出端，干擾整個(gè)電路系統(tǒng)的正常工作，如在通信系統(tǒng)中，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，降低通信質(zhì)量。為了解決這些問(wèn)題，提高帶隙基準(zhǔn)源的性能，研究人員在多個(gè)方面進(jìn)行了深入探索。其中，高電源抑制比和曲率補(bǔ)償技術(shù)成為提升帶隙基準(zhǔn)源性能的關(guān)鍵方向。高電源抑制比能夠使帶隙基準(zhǔn)源有效抑制電源電壓波動(dòng)和噪聲的干擾，確保輸出的基準(zhǔn)信號(hào)穩(wěn)定可靠。通過(guò)采用先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如電源電壓負(fù)反饋技術(shù)、增加濾波電容和改進(jìn)差動(dòng)放大器的結(jié)構(gòu)等，可以顯著提高帶隙基準(zhǔn)源對(duì)電源噪聲的抑制能力，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。例如，在一些對(duì)電源噪聲敏感的電路中，高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)源能夠有效減少電源噪聲對(duì)電路性能的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。曲率補(bǔ)償則是針對(duì)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓隨溫度變化的非線性特性，通過(guò)引入額外的補(bǔ)償電路，對(duì)輸出電壓進(jìn)行二階或高階溫度補(bǔ)償，從而大大改善帶隙基準(zhǔn)的溫度特性，降低溫度系數(shù)，提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。比如在一些需要高精度溫度測(cè)量的傳感器電路中，曲率補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)源可以提供更穩(wěn)定的參考電壓，使得傳感器的測(cè)量精度得到顯著提升。綜上所述，開(kāi)展對(duì)一種曲率補(bǔ)償高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)深入研究和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有望解決傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源存在的不足，為模擬和數(shù)?；旌想娐诽峁┬阅芨鼉?yōu)越的帶隙基準(zhǔn)源，推動(dòng)集成電路技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，帶隙基準(zhǔn)源作為模擬和數(shù)?；旌想娐分械年P(guān)鍵模塊，其性能提升一直是研究的熱點(diǎn)。在高電源抑制比和曲率補(bǔ)償技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都取得了豐富的研究成果。國(guó)外研究起步較早，在理論和實(shí)踐方面都處于領(lǐng)先地位。早期，學(xué)者們主要通過(guò)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)來(lái)提高帶隙基準(zhǔn)源的性能。例如，經(jīng)典的Brokaw帶隙基準(zhǔn)電路，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，利用雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓與絕對(duì)溫度的關(guān)系，以及電阻分壓原理，實(shí)現(xiàn)了一定程度的溫度補(bǔ)償和電源抑制。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向如何進(jìn)一步提高電源抑制比和優(yōu)化曲率補(bǔ)償效果。一些研究團(tuán)隊(duì)采用了電源電壓負(fù)反饋技術(shù)，將電源電壓的變化反饋到電路中，通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)來(lái)抵消電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出的影響，從而顯著提高了帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制比。在曲率補(bǔ)償方面，通過(guò)深入研究雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的高階溫度特性，提出了多種高階溫度補(bǔ)償策略，如利用CMOS晶體管的亞閾值特性產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補(bǔ)償電流，對(duì)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行二階或高階溫度補(bǔ)償，有效降低了溫度系數(shù)，提高了輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。近年來(lái)，國(guó)外在帶隙基準(zhǔn)源的研究上不斷創(chuàng)新，出現(xiàn)了一些新的設(shè)計(jì)理念和方法。例如，有研究將數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)引入帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)中，通過(guò)數(shù)字電路對(duì)模擬電路的輸出進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)整，進(jìn)一步提高了帶隙基準(zhǔn)源的精度和穩(wěn)定性，同時(shí)也增強(qiáng)了其對(duì)工藝、電壓和溫度變化的適應(yīng)性。還有研究致力于開(kāi)發(fā)新型的器件和材料，以實(shí)現(xiàn)更低功耗、更高性能的帶隙基準(zhǔn)源。例如，利用碳納米管等新型材料制作晶體管，有望提高帶隙基準(zhǔn)源的性能，并且在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)在帶隙基準(zhǔn)源領(lǐng)域的研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。許多高校和科研機(jī)構(gòu)投入大量資源進(jìn)行研究，在高電源抑制比和曲率補(bǔ)償技術(shù)方面取得了一系列有價(jià)值的成果。一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改進(jìn)差動(dòng)放大器的結(jié)構(gòu)，增加濾波電容等方式，提高了帶隙基準(zhǔn)源對(duì)電源噪聲的抑制能力。例如，采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)的差動(dòng)放大器，不僅提高了放大器的增益，還增強(qiáng)了對(duì)電源噪聲的抑制能力，從而提高了帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制比。在曲率補(bǔ)償方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了一些新穎的補(bǔ)償方法。如設(shè)計(jì)一種基于兩路跨導(dǎo)放大器的分段曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源，一路跨導(dǎo)放大器在低溫段產(chǎn)生隨溫度升高近似成指數(shù)減小的電流，另一路在高溫段產(chǎn)生隨溫度升高近似成指數(shù)增大的電流，對(duì)傳統(tǒng)的電流型帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行精確的分段曲率補(bǔ)償，顯著改善了帶隙基準(zhǔn)源的溫度特性。此外，國(guó)內(nèi)還注重將帶隙基準(zhǔn)源的研究成果應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在一些國(guó)產(chǎn)的電源管理芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等集成電路產(chǎn)品中，已經(jīng)采用了自主研發(fā)的高性能帶隙基準(zhǔn)源技術(shù)，產(chǎn)品性能不斷提升，逐漸在市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。盡管國(guó)內(nèi)外在帶隙基準(zhǔn)源的高電源抑制比和曲率補(bǔ)償技術(shù)方面已經(jīng)取得了顯著的成果，但隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的性能要求也越來(lái)越高。未來(lái)，還需要進(jìn)一步深入研究，探索新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，以滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求和技術(shù)挑戰(zhàn)。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在設(shè)計(jì)一種曲率補(bǔ)償高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)源，以滿足現(xiàn)代集成電路對(duì)高精度、高穩(wěn)定性和抗噪聲能力的嚴(yán)格要求。具體研究目標(biāo)如下：實(shí)現(xiàn)高電源抑制比：通過(guò)創(chuàng)新的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，有效抑制電源電壓波動(dòng)和噪聲對(duì)帶隙基準(zhǔn)源輸出的干擾，在寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高電源抑制比，使帶隙基準(zhǔn)源在復(fù)雜的電源環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的輸出，滿足對(duì)電源噪聲敏感的電路應(yīng)用需求。高精度曲率補(bǔ)償：深入研究帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的溫度特性，提出新穎且有效的曲率補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的高精度二階或高階溫度補(bǔ)償，顯著降低溫度系數(shù)，提高輸出電壓在寬溫度范圍內(nèi)的精度和穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：獨(dú)特的電源抑制比增強(qiáng)技術(shù)：提出一種全新的電源電壓負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的反饋方式不同，該結(jié)構(gòu)能夠更精準(zhǔn)地感知電源電壓的微小變化，并迅速做出響應(yīng)，通過(guò)巧妙的電路布局和參數(shù)設(shè)計(jì)，將電源噪聲的影響降低到最低限度，從而在高頻段也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電源抑制比?；谛滦推骷匦缘那恃a(bǔ)償方法：利用新型晶體管或器件的特殊溫度特性，如某些具有獨(dú)特亞閾值特性的CMOS晶體管，設(shè)計(jì)出一種全新的曲率補(bǔ)償電路。這種電路能夠根據(jù)溫度的變化自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償電流或電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的動(dòng)態(tài)、精確補(bǔ)償，與傳統(tǒng)的曲率補(bǔ)償方法相比，具有更高的補(bǔ)償精度和更寬的溫度適用范圍。多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)：突破傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)中僅關(guān)注單一性能指標(biāo)優(yōu)化的局限，采用多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念。綜合考慮電源抑制比、溫度系數(shù)、功耗、面積等多個(gè)性能指標(biāo)之間的相互關(guān)系和制約因素，通過(guò)建立精確的電路模型和優(yōu)化算法，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)帶隙基準(zhǔn)源整體性能的最大化提升。二、帶隙基準(zhǔn)源基礎(chǔ)理論2.1帶隙基準(zhǔn)源工作原理帶隙基準(zhǔn)源作為模擬和數(shù)模混合電路中的關(guān)鍵模塊，其核心任務(wù)是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，該電壓應(yīng)盡可能不受溫度和電源電壓波動(dòng)的影響。其基本工作原理基于將具有正溫度系數(shù)（PTAT）和負(fù)溫度系數(shù)（CTAT）的兩種電壓進(jìn)行巧妙組合，通過(guò)精確的權(quán)重配比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的零溫度系數(shù)，從而獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。在半導(dǎo)體器件中，雙極型晶體管（BJT）的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）呈現(xiàn)出與絕對(duì)溫度成反比的特性，即負(fù)溫度系數(shù)。根據(jù)PN結(jié)電流公式I_C=I_S\cdote^{\frac{V_{BE}}{V_T}}（其中I_C為集電極電流，I_S為反向飽和電流，V_T=\frac{kT}{q}為熱電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電荷量），對(duì)V_{BE}關(guān)于T求導(dǎo)可得：\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}=\frac{V_{BE}-V_{g0}}{T}。當(dāng)V_{BE}\approx750mV，T=300K時(shí)，\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}\approx-2mV/K，這清晰地表明了V_{BE}具有負(fù)溫度系數(shù)。而當(dāng)兩個(gè)雙極型晶體管工作在不同的電流密度下時(shí)，它們的基極-發(fā)射極電壓差值（\DeltaV_{BE}）與絕對(duì)溫度成正比，即呈現(xiàn)正溫度系數(shù)。假設(shè)兩個(gè)相同的晶體管偏置的集電極電流分別為nI_0和I_0，忽略基極電流后，\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}=V_T\ln(\frac{I_{C1}}{I_{C2}})=V_T\ln(n)，對(duì)其關(guān)于T求導(dǎo)，\frac{\partial\DeltaV_{BE}}{\partialT}=\frac{k}{q}\approx0.087mV/K，由此可知\DeltaV_{BE}具有正溫度系數(shù)，并且該溫度系數(shù)與溫度和集電極電流的具體特性無(wú)關(guān)。帶隙基準(zhǔn)源正是巧妙地利用了這一特性，將V_{BE}和\DeltaV_{BE}以合適的比例相加，得到輸出電壓V_{REF}，其表達(dá)式通常為V_{REF}=V_{BE}+K\cdot\DeltaV_{BE}，其中K為比例系數(shù)。通過(guò)精心選擇K的值，能夠使得V_{REF}的溫度系數(shù)趨近于零，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓在不同溫度下的穩(wěn)定性。在實(shí)際的帶隙基準(zhǔn)源電路中，還會(huì)引入運(yùn)算放大器等組件來(lái)構(gòu)建反饋回路，以進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和精度。運(yùn)算放大器的作用是確保兩個(gè)輸入端的電壓相等，從而使得電路能夠穩(wěn)定工作，并精確地控制V_{BE}和\DeltaV_{BE}的比例關(guān)系。此外，電路中還會(huì)包含啟動(dòng)電路，用于在電源接通時(shí)使電路迅速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。從電源電壓的角度來(lái)看，理想的帶隙基準(zhǔn)源應(yīng)具備出色的電源抑制能力，以降低電源電壓波動(dòng)對(duì)輸出基準(zhǔn)電壓的影響。電源抑制比（PSRR）是衡量這一能力的重要指標(biāo)，其定義為電源電壓變化量與由此引起的輸出電壓變化量之比的對(duì)數(shù)，即PSRR=20\log(\frac{\DeltaV_{IN}}{\DeltaV_{OUT}})，單位為分貝（dB）。較高的PSRR值意味著帶隙基準(zhǔn)源對(duì)電源電壓的變化不敏感，能夠在電源電壓波動(dòng)時(shí)保持輸出基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了提高PSRR，可以采用多種技術(shù)，如優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、增加濾波電容、采用電源電壓負(fù)反饋技術(shù)等。例如，通過(guò)增加濾波電容可以有效濾除電源中的高頻噪聲，而電源電壓負(fù)反饋技術(shù)則可以實(shí)時(shí)感知電源電壓的變化，并通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)來(lái)抵消這種變化對(duì)輸出電壓的影響。2.2電源抑制比（PSRR）概念與意義電源抑制比（PowerSupplyRejectionRatio，PSRR）是衡量帶隙基準(zhǔn)源性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它反映了帶隙基準(zhǔn)源對(duì)電源電壓波動(dòng)和噪聲的抑制能力。其定義為電源電壓變化量與由此引起的輸出電壓變化量之比的對(duì)數(shù)，通常用分貝（dB）表示，數(shù)學(xué)表達(dá)式為PSRR=20\log(\frac{\DeltaV_{IN}}{\DeltaV_{OUT}})。PSRR在帶隙基準(zhǔn)源中起著至關(guān)重要的作用。在實(shí)際的電路系統(tǒng)中，電源往往并非理想的穩(wěn)定直流電壓源，而是存在各種噪聲和波動(dòng)。這些電源噪聲可能來(lái)自于電源本身的紋波、周圍電子設(shè)備的電磁干擾，以及數(shù)字電路部分的開(kāi)關(guān)噪聲等。如果帶隙基準(zhǔn)源的PSRR較低，電源噪聲就會(huì)直接耦合到輸出的基準(zhǔn)信號(hào)中，導(dǎo)致基準(zhǔn)信號(hào)的不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確。這將對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路（ADC）中，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性直接決定了ADC的轉(zhuǎn)換精度。若帶隙基準(zhǔn)源的PSRR不足，電源噪聲引入的基準(zhǔn)電壓波動(dòng)會(huì)使ADC的量化誤差增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)不能準(zhǔn)確反映輸入模擬信號(hào)的真實(shí)值。例如，在一個(gè)12位的ADC中，假設(shè)其滿量程輸入電壓為5V，理論上其量化間隔為\frac{5V}{2^{12}}\approx1.22mV。若帶隙基準(zhǔn)源的PSRR較低，電源噪聲引起基準(zhǔn)電壓波動(dòng)1mV，那么在ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程中，就可能產(chǎn)生近1個(gè)量化單位的誤差，大大降低了ADC的精度。在通信系統(tǒng)的射頻前端電路中，帶隙基準(zhǔn)源為各種射頻器件提供穩(wěn)定的偏置電壓。如果PSRR不佳，電源噪聲會(huì)干擾射頻信號(hào)的處理，導(dǎo)致信號(hào)失真、信噪比下降，進(jìn)而影響通信質(zhì)量，可能出現(xiàn)信號(hào)中斷、誤碼率增加等問(wèn)題。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)的可靠性和準(zhǔn)確性要求極高，低PSRR的帶隙基準(zhǔn)源可能導(dǎo)致衛(wèi)星與地面站之間的通信出現(xiàn)嚴(yán)重故障，無(wú)法正常傳輸數(shù)據(jù)。此外，在一些對(duì)穩(wěn)定性要求極高的醫(yī)療電子設(shè)備，如心電監(jiān)測(cè)儀、血糖儀等中，帶隙基準(zhǔn)源的低PSRR可能導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差，影響醫(yī)生對(duì)患者病情的準(zhǔn)確判斷，甚至可能對(duì)患者的生命安全造成威脅。例如，在心電監(jiān)測(cè)儀中，不準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓可能使監(jiān)測(cè)到的心電圖波形出現(xiàn)畸變，掩蓋患者真實(shí)的心臟狀況，延誤治療時(shí)機(jī)。綜上所述，PSRR對(duì)于帶隙基準(zhǔn)源的性能至關(guān)重要，高PSRR能夠確保帶隙基準(zhǔn)源在復(fù)雜的電源環(huán)境下輸出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的基準(zhǔn)信號(hào)，為整個(gè)電路系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。2.3曲率補(bǔ)償原理與作用在帶隙基準(zhǔn)源中，雖然通過(guò)將具有正溫度系數(shù)（PTAT）和負(fù)溫度系數(shù)（CTAT）的電壓進(jìn)行組合，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)輸出電壓的溫度補(bǔ)償，但這種一階補(bǔ)償往往存在局限性。因?yàn)殡p極晶體管的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與溫度并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，其實(shí)際的溫度特性包含高階項(xiàng)。V_{BE}與溫度T的關(guān)系可以用以下公式更精確地描述：V_{BE}(T)=V_{G0}(1-\frac{T}{T_0})+V_{BE0}(\frac{T}{T_0})+n\frac{kT}{q}\ln(\frac{T}{T_0})+m\frac{kT}{q}\ln(\frac{I_C}{I_{S0}})，其中V_{G0}是半導(dǎo)體材料在絕對(duì)零度時(shí)的帶隙電壓，T_0為參考溫度，V_{BE0}是在參考溫度T_0時(shí)的V_{BE}值，n和m為與工藝相關(guān)的常數(shù)，I_C為集電極電流，I_{S0}為參考溫度下的反向飽和電流。從該公式可以看出，V_{BE}與溫度的關(guān)系包含了線性項(xiàng)和對(duì)數(shù)項(xiàng)，對(duì)數(shù)項(xiàng)即為高階項(xiàng)，這些高階項(xiàng)使得V_{BE}的溫度特性呈現(xiàn)出非線性。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源僅對(duì)V_{BE}的一階溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，忽略了這些高階項(xiàng)，導(dǎo)致輸出電壓在不同溫度下仍存在一定的波動(dòng)，無(wú)法滿足高精度應(yīng)用的需求。例如，在一些對(duì)溫度精度要求極高的傳感器電路中，這種未考慮高階項(xiàng)的帶隙基準(zhǔn)源會(huì)導(dǎo)致傳感器的測(cè)量誤差增大，影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。曲率補(bǔ)償?shù)脑砭褪轻槍?duì)V_{BE}的高階溫度特性，引入額外的補(bǔ)償電路，對(duì)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行二階或高階溫度補(bǔ)償。通過(guò)精確設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，使其產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補(bǔ)償電流或電壓，并與原有的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕M合，從而抵消高階項(xiàng)對(duì)輸出電壓的影響，使輸出電壓在寬溫度范圍內(nèi)更加接近理想的零溫度系數(shù)。一種常見(jiàn)的曲率補(bǔ)償方法是利用CMOS晶體管的亞閾值特性。當(dāng)CMOS晶體管工作在亞閾值區(qū)時(shí)，其漏極電流I_D與柵源電壓V_{GS}之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，即I_D=I_{D0}e^{\frac{V_{GS}}{nV_T}}，其中I_{D0}為常數(shù)，n為亞閾值斜率因子，V_T=\frac{kT}{q}為熱電壓。通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)電路，使CMOS晶體管在不同溫度下產(chǎn)生相應(yīng)變化的電流，并將該電流引入帶隙基準(zhǔn)源的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中。在低溫時(shí)，補(bǔ)償電路產(chǎn)生的電流較小，隨著溫度升高，電流按照特定的規(guī)律增大，從而對(duì)V_{BE}的高階溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償。假設(shè)在一個(gè)帶隙基準(zhǔn)源中，原有的基準(zhǔn)電壓為V_{REF1}=V_{BE}+K\cdot\DeltaV_{BE}，引入曲率補(bǔ)償后，基準(zhǔn)電壓變?yōu)閂_{REF2}=V_{BE}+K\cdot\DeltaV_{BE}+I_{comp}\cdotR_{comp}，其中I_{comp}為補(bǔ)償電流，R_{comp}為補(bǔ)償電阻。通過(guò)精確設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，使I_{comp}與溫度的關(guān)系能夠抵消V_{BE}高階項(xiàng)對(duì)溫度的影響，從而使V_{REF2}在寬溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)顯著降低。曲率補(bǔ)償?shù)淖饔迷谟陲@著改善帶隙基準(zhǔn)源的溫度特性，降低溫度系數(shù)，提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。在高精度的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中，經(jīng)過(guò)曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源能夠?yàn)锳DC提供更穩(wěn)定的參考電壓，減少因溫度變化導(dǎo)致的量化誤差，提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。在精密測(cè)量?jī)x器中，如高精度的溫度測(cè)量?jī)x、壓力測(cè)量?jī)x等，曲率補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)源可以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，避免因溫度波動(dòng)而產(chǎn)生的測(cè)量偏差。三、提高電源抑制比的方法與策略3.1傳統(tǒng)提高PSRR方法分析在帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)中，提高電源抑制比（PSRR）是一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，傳統(tǒng)上采用了多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，每種方法都有其獨(dú)特的原理、效果以及局限性。共源共柵結(jié)構(gòu)是一種常用的提高PSRR的方法。在帶隙基準(zhǔn)源的放大器部分采用共源共柵結(jié)構(gòu)，其原理基于增加輸出阻抗和提高放大器增益。以一個(gè)簡(jiǎn)單的共源放大器為例，其輸出阻抗為R_{out1}，增益為A_{v1}，當(dāng)采用共源共柵結(jié)構(gòu)后，輸出阻抗增加為R_{out2}=g_{m2}\cdotr_{o2}\cdotR_{out1}（其中g(shù)_{m2}為共源共柵晶體管的跨導(dǎo)，r_{o2}為其輸出電阻），增益也相應(yīng)提高。從電源抑制的角度來(lái)看，共源共柵結(jié)構(gòu)使得電源電壓變化對(duì)輸出電壓的影響減小。因?yàn)殡娫吹捷敵龆说脑鲆媾c輸出阻抗相關(guān)，輸出阻抗的增加使得電源到輸出端的增益減小，根據(jù)PSRR的定義PSRR=20\log(\frac{\DeltaV_{IN}}{\DeltaV_{OUT}})，在\DeltaV_{IN}不變的情況下，\DeltaV_{OUT}減小，從而提高了PSRR。在實(shí)際應(yīng)用中，共源共柵結(jié)構(gòu)在低頻段能夠顯著提高PSRR。在一些音頻功率放大器的帶隙基準(zhǔn)源中，低頻段的電源噪聲抑制非常重要，共源共柵結(jié)構(gòu)可以有效減少電源低頻紋波對(duì)音頻信號(hào)的干擾，提高音頻質(zhì)量。然而，共源共柵結(jié)構(gòu)也存在明顯的局限性。它會(huì)導(dǎo)致輸出擺幅減小，這是因?yàn)楣苍垂矕啪w管需要一定的電壓裕度來(lái)保持工作在飽和區(qū)，從而限制了輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍。共源共柵結(jié)構(gòu)還會(huì)使3dB頻率點(diǎn)減小，即帶寬變窄。這是由于輸出阻抗的增加導(dǎo)致輸出節(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)增大，使得高頻特性變差。在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，這種帶寬的限制可能會(huì)影響帶隙基準(zhǔn)源對(duì)快速變化的電源噪聲的抑制能力，無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)高頻噪聲抑制的要求。電壓負(fù)反饋技術(shù)也是提高PSRR的重要手段。其原理是通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓的一部分反饋到輸入端，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較結(jié)果調(diào)整放大器的輸出，從而穩(wěn)定輸出電壓并抑制電源噪聲的影響。在一個(gè)典型的帶隙基準(zhǔn)源中，假設(shè)輸出電壓為V_{OUT}，反饋系數(shù)為\beta，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)將\betaV_{OUT}反饋到輸入端，與基準(zhǔn)輸入電壓V_{REF}進(jìn)行比較。當(dāng)電源電壓發(fā)生波動(dòng)導(dǎo)致V_{OUT}變化時(shí)，比較器會(huì)產(chǎn)生誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大后調(diào)整輸出，使得V_{OUT}盡量恢復(fù)到穩(wěn)定值。從PSRR的角度來(lái)看，電壓負(fù)反饋降低了電源到輸出端的增益。根據(jù)反饋放大器的原理，閉環(huán)增益A_{vf}=\frac{A_{v}}{1+A_{v}\beta}（其中A_{v}為開(kāi)環(huán)增益），同時(shí)電源到輸出端的增益也會(huì)相應(yīng)減小，從而提高了PSRR。在一些精密的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中，電壓負(fù)反饋技術(shù)能夠有效抑制電源噪聲對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響，提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。然而，電壓負(fù)反饋技術(shù)也并非完美無(wú)缺。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇至關(guān)重要，不合適的反饋系數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。反饋網(wǎng)絡(luò)還可能會(huì)引入額外的噪聲和延遲，對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。如果反饋電阻的熱噪聲較大，可能會(huì)抵消一部分PSRR的提升效果，而反饋延遲則可能影響電路對(duì)快速變化的電源噪聲的響應(yīng)速度。傳統(tǒng)的增加濾波電容方法，通過(guò)在電源輸入端和輸出端增加電容來(lái)濾除電源噪聲。其原理基于電容對(duì)交流信號(hào)的阻抗特性，電容的阻抗Z=\frac{1}{j\omegaC}，在高頻段，電容的阻抗很小，能夠有效地旁路高頻噪聲，使噪聲不會(huì)傳遞到輸出端。在帶隙基準(zhǔn)源的電源輸入端增加一個(gè)較大的電解電容（如10μF）和一個(gè)較小的陶瓷電容（如0.1μF），電解電容主要用于濾除低頻噪聲，陶瓷電容則用于濾除高頻噪聲。這種組合能夠在一定程度上提高PSRR，尤其是在高頻段。在一些射頻電路的帶隙基準(zhǔn)源中，通過(guò)合理配置濾波電容，可以有效抑制射頻電源噪聲對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的干擾，保證射頻信號(hào)的穩(wěn)定處理。但是，增加濾波電容也存在一些問(wèn)題。電容的體積較大，在集成電路設(shè)計(jì)中會(huì)占用較大的芯片面積，不利于芯片的小型化和集成度提高。過(guò)大的電容可能會(huì)導(dǎo)致電路的啟動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，影響系統(tǒng)的快速啟動(dòng)性能。電容還存在寄生電阻和電感，在高頻段，這些寄生參數(shù)可能會(huì)影響電容的濾波效果，甚至導(dǎo)致諧振現(xiàn)象，降低PSRR。3.2新型PSRR提升技術(shù)探討為了突破傳統(tǒng)方法的局限，近年來(lái)出現(xiàn)了多種新型的提升電源抑制比（PSRR）的技術(shù)，這些技術(shù)通過(guò)獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)和工作原理，在提高PSRR方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。多環(huán)路反饋技術(shù)是一種創(chuàng)新的PSRR提升方法。傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源通常采用單環(huán)路反饋結(jié)構(gòu)，對(duì)電源噪聲的抑制能力有限。多環(huán)路反饋技術(shù)則通過(guò)引入多個(gè)反饋環(huán)路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源噪聲的多層次抑制。其基本原理是利用不同的反饋環(huán)路對(duì)電源噪聲的不同頻率成分進(jìn)行針對(duì)性處理。在一個(gè)典型的多環(huán)路反饋帶隙基準(zhǔn)源中，低頻反饋環(huán)路主要用于抑制低頻電源噪聲，它通過(guò)精確控制基準(zhǔn)電壓的直流分量，使其不受低頻電源波動(dòng)的影響。高頻反饋環(huán)路則專注于抑制高頻電源噪聲，通過(guò)快速響應(yīng)高頻噪聲的變化，及時(shí)調(diào)整電路參數(shù)，將高頻噪聲的影響降至最低。從電路實(shí)現(xiàn)角度來(lái)看，多環(huán)路反饋技術(shù)通常需要多個(gè)放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。在一個(gè)雙環(huán)路反饋帶隙基準(zhǔn)源中，第一個(gè)反饋環(huán)路由放大器A1和反饋電阻R1、R2組成，主要負(fù)責(zé)低頻段的電源噪聲抑制；第二個(gè)反饋環(huán)路由放大器A2和反饋電容C1、電阻R3組成，用于高頻段的電源噪聲抑制。當(dāng)電源電壓出現(xiàn)低頻波動(dòng)時(shí)，放大器A1檢測(cè)到輸出電壓的變化，通過(guò)調(diào)整反饋電阻R1、R2之間的電壓分配，改變放大器的增益，從而穩(wěn)定輸出電壓，有效抑制低頻電源噪聲。當(dāng)遇到高頻電源噪聲時(shí)，放大器A2迅速響應(yīng)，利用反饋電容C1對(duì)高頻信號(hào)的低阻抗特性，將高頻噪聲旁路到地，同時(shí)通過(guò)電阻R3調(diào)整反饋信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)高頻噪聲的抑制效果。多環(huán)路反饋技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高PSRR。在一些對(duì)電源噪聲抑制要求極高的射頻通信電路中，多環(huán)路反饋帶隙基準(zhǔn)源可以有效抑制電源線上的各種噪聲，從低頻的電源紋波到高頻的射頻干擾，確保射頻信號(hào)的穩(wěn)定處理，提高通信質(zhì)量。這種技術(shù)還具有較好的魯棒性，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境和負(fù)載變化。當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，多環(huán)路反饋系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)整反饋參數(shù)，保持對(duì)電源噪聲的有效抑制，保證帶隙基準(zhǔn)源輸出的穩(wěn)定性。引入預(yù)穩(wěn)壓電路也是一種有效的新型PSRR提升技術(shù)。預(yù)穩(wěn)壓電路的作用是在帶隙基準(zhǔn)源的電源輸入端對(duì)電源電壓進(jìn)行初步穩(wěn)壓，減少電源電壓的波動(dòng)和噪聲，從而降低其對(duì)帶隙基準(zhǔn)源核心電路的影響。預(yù)穩(wěn)壓電路通常采用線性穩(wěn)壓或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓的方式。線性穩(wěn)壓預(yù)穩(wěn)壓電路基于線性穩(wěn)壓原理，通過(guò)調(diào)整晶體管的導(dǎo)通程度，將輸入的不穩(wěn)定電源電壓轉(zhuǎn)換為相對(duì)穩(wěn)定的輸出電壓。它具有輸出電壓紋波小、噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)閹痘鶞?zhǔn)源提供較為純凈的電源。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓預(yù)穩(wěn)壓電路則利用開(kāi)關(guān)元件的快速通斷，通過(guò)PWM（脈沖寬度調(diào)制）或PFM（脈沖頻率調(diào)制）技術(shù)來(lái)調(diào)整輸出電壓。雖然開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路存在一定的開(kāi)關(guān)噪聲，但通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和濾波措施，可以將噪聲控制在可接受的范圍內(nèi)，并且其具有較高的轉(zhuǎn)換效率，適用于對(duì)功耗要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)穩(wěn)壓電路可以顯著提高帶隙基準(zhǔn)源的PSRR。在一個(gè)采用線性穩(wěn)壓預(yù)穩(wěn)壓電路的帶隙基準(zhǔn)源中，預(yù)穩(wěn)壓電路將電源電壓的波動(dòng)從±1V降低到±0.1V，大大減小了進(jìn)入帶隙基準(zhǔn)源核心電路的電源噪聲，使得帶隙基準(zhǔn)源在低頻段的PSRR提高了30dB以上。預(yù)穩(wěn)壓電路還可以起到隔離作用，減少電源線上其他電路產(chǎn)生的噪聲對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的干擾。在一個(gè)包含數(shù)字電路和模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路的開(kāi)關(guān)噪聲可能會(huì)通過(guò)電源線傳播到模擬電路部分，影響帶隙基準(zhǔn)源的性能。預(yù)穩(wěn)壓電路可以有效地隔離這種噪聲傳播，保護(hù)帶隙基準(zhǔn)源免受數(shù)字電路噪聲的干擾，確保其輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。3.3不同方法性能對(duì)比不同提高電源抑制比（PSRR）方法在抑制電源噪聲、功耗、復(fù)雜度等方面存在顯著的性能差異。傳統(tǒng)的共源共柵結(jié)構(gòu)在低頻段對(duì)電源噪聲具有較好的抑制效果。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際電路測(cè)試，在低頻區(qū)域，共源共柵結(jié)構(gòu)可以將PSRR提高20-30dB，有效減少電源低頻紋波對(duì)輸出信號(hào)的干擾。這種方法也存在明顯的缺點(diǎn)。由于共源共柵晶體管需要一定的電壓裕度來(lái)保持工作在飽和區(qū)，這使得輸出擺幅減小，一般會(huì)降低1-2V，限制了輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍。共源共柵結(jié)構(gòu)會(huì)使3dB頻率點(diǎn)減小，導(dǎo)致帶寬變窄，高頻特性變差。這在一些對(duì)高頻噪聲抑制要求較高的電路中，如高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可能無(wú)法滿足對(duì)快速變化的電源噪聲的抑制需求。在功耗方面，共源共柵結(jié)構(gòu)通常需要額外的偏置電流，導(dǎo)致功耗相對(duì)較高，一般會(huì)增加1-2倍。在電路復(fù)雜度上，共源共柵結(jié)構(gòu)增加了晶體管數(shù)量和電路布局的難度，使得設(shè)計(jì)和調(diào)試變得更加復(fù)雜。電壓負(fù)反饋技術(shù)在抑制電源噪聲方面也有一定的成效。通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出電壓的一部分反饋到輸入端，能夠有效降低電源到輸出端的增益，從而提高PSRR。在一些精密的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路中，電壓負(fù)反饋技術(shù)可以使PSRR提高15-20dB，有效抑制電源噪聲對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響，提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。但是，電壓負(fù)反饋技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇要求極高。不合適的反饋系數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，這在實(shí)際電路調(diào)試中是一個(gè)常見(jiàn)且棘手的問(wèn)題。反饋網(wǎng)絡(luò)還可能會(huì)引入額外的噪聲和延遲，對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。如果反饋電阻的熱噪聲較大，可能會(huì)抵消一部分PSRR的提升效果，而反饋延遲則可能影響電路對(duì)快速變化的電源噪聲的響應(yīng)速度。在功耗方面，電壓負(fù)反饋技術(shù)通常需要額外的放大器和反饋電阻，會(huì)增加一定的功耗，約為原電路的1.2-1.5倍。電路復(fù)雜度也會(huì)因?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)的引入而增加，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化反饋參數(shù)。傳統(tǒng)的增加濾波電容方法在高頻段對(duì)電源噪聲有一定的抑制作用。在帶隙基準(zhǔn)源的電源輸入端增加合適的電容組合，如10μF的電解電容和0.1μF的陶瓷電容，可以在高頻段將PSRR提高10-15dB，有效濾除高頻噪聲。這種方法存在一些明顯的局限性。電容的體積較大，在集成電路設(shè)計(jì)中會(huì)占用較大的芯片面積，不利于芯片的小型化和集成度提高。過(guò)大的電容還可能會(huì)導(dǎo)致電路的啟動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，影響系統(tǒng)的快速啟動(dòng)性能。電容存在寄生電阻和電感，在高頻段，這些寄生參數(shù)可能會(huì)影響電容的濾波效果，甚至導(dǎo)致諧振現(xiàn)象，降低PSRR。在功耗方面，雖然電容本身不消耗功率，但過(guò)大的電容可能會(huì)導(dǎo)致電路的充電電流增加，從而間接增加功耗。在電路復(fù)雜度上，電容的選擇和布局需要考慮寄生參數(shù)等因素，增加了設(shè)計(jì)的難度。新型的多環(huán)路反饋技術(shù)在抑制電源噪聲方面表現(xiàn)出色。通過(guò)引入多個(gè)反饋環(huán)路，對(duì)電源噪聲的不同頻率成分進(jìn)行針對(duì)性處理，能夠在寬頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高PSRR。在一些射頻通信電路中，多環(huán)路反饋帶隙基準(zhǔn)源可以將PSRR在低頻段提高30-40dB，在高頻段提高20-30dB，有效抑制電源線上的各種噪聲，確保射頻信號(hào)的穩(wěn)定處理，提高通信質(zhì)量。這種技術(shù)還具有較好的魯棒性，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境和負(fù)載變化。在功耗方面，多環(huán)路反饋技術(shù)由于需要多個(gè)放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作，功耗相對(duì)較高，一般比傳統(tǒng)方法增加2-3倍。在電路復(fù)雜度上，多環(huán)路反饋技術(shù)的設(shè)計(jì)和調(diào)試難度較大，需要精確匹配各個(gè)反饋環(huán)路的參數(shù)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。引入預(yù)穩(wěn)壓電路也是一種有效的PSRR提升技術(shù)。預(yù)穩(wěn)壓電路可以在帶隙基準(zhǔn)源的電源輸入端對(duì)電源電壓進(jìn)行初步穩(wěn)壓，減少電源電壓的波動(dòng)和噪聲，從而提高PSRR。在一個(gè)采用線性穩(wěn)壓預(yù)穩(wěn)壓電路的帶隙基準(zhǔn)源中，預(yù)穩(wěn)壓電路可以將PSRR在低頻段提高25-35dB，在高頻段提高15-25dB，顯著降低進(jìn)入帶隙基準(zhǔn)源核心電路的電源噪聲。預(yù)穩(wěn)壓電路還可以起到隔離作用，減少電源線上其他電路產(chǎn)生的噪聲對(duì)帶隙基準(zhǔn)源的干擾。在功耗方面，線性穩(wěn)壓預(yù)穩(wěn)壓電路的功耗相對(duì)較高，因?yàn)樗ㄟ^(guò)調(diào)整晶體管的導(dǎo)通程度來(lái)穩(wěn)壓，會(huì)有一定的功率損耗。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓預(yù)穩(wěn)壓電路雖然轉(zhuǎn)換效率較高，但存在開(kāi)關(guān)噪聲，需要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和濾波措施來(lái)控制。在電路復(fù)雜度上，預(yù)穩(wěn)壓電路增加了額外的穩(wěn)壓電路模塊，需要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。四、曲率補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1常見(jiàn)曲率補(bǔ)償技術(shù)研究在帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)中，為了克服一階溫度補(bǔ)償?shù)木窒扌?，滿足高精度應(yīng)用對(duì)低溫度系數(shù)的嚴(yán)格要求，多種曲率補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，每種技術(shù)都有其獨(dú)特的原理、實(shí)現(xiàn)方式和特點(diǎn)。指數(shù)曲率補(bǔ)償技術(shù)是一種較為常見(jiàn)且有效的方法。其原理基于利用特定器件的指數(shù)特性來(lái)產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補(bǔ)償信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，常利用CMOS晶體管工作在亞閾值區(qū)時(shí)的特性。當(dāng)CMOS晶體管處于亞閾值區(qū)，其漏極電流I_D與柵源電壓V_{GS}呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，即I_D=I_{D0}e^{\frac{V_{GS}}{nV_T}}，其中I_{D0}為常數(shù)，n為亞閾值斜率因子，V_T=\frac{kT}{q}為熱電壓。通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)電路，使CMOS晶體管在不同溫度下產(chǎn)生相應(yīng)變化的電流。在低溫時(shí)，補(bǔ)償電路產(chǎn)生的電流較小，隨著溫度升高，電流按照指數(shù)規(guī)律增大。將該電流引入帶隙基準(zhǔn)源的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，與原有的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行恰當(dāng)組合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的高階溫度補(bǔ)償。從實(shí)現(xiàn)方式來(lái)看，指數(shù)曲率補(bǔ)償技術(shù)通常需要設(shè)計(jì)一個(gè)專門的補(bǔ)償電路模塊。在一個(gè)典型的基于指數(shù)曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源中，補(bǔ)償電路模塊由工作在亞閾值區(qū)的CMOS晶體管、電阻和電容等元件組成。CMOS晶體管的柵極電壓通過(guò)一個(gè)與溫度相關(guān)的電壓源進(jìn)行偏置，使得其漏極電流能夠隨著溫度的變化而精確調(diào)整。通過(guò)合理選擇電阻和電容的參數(shù)，對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行精確控制和濾波，確保補(bǔ)償信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。將補(bǔ)償電流通過(guò)一個(gè)電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并與原有的帶隙基準(zhǔn)電壓進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的補(bǔ)償。指數(shù)曲率補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的連續(xù)、平滑補(bǔ)償。由于補(bǔ)償電流與溫度呈指數(shù)關(guān)系，能夠更精準(zhǔn)地匹配雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的高階溫度特性，從而在寬溫度范圍內(nèi)有效降低溫度系數(shù)。在一些對(duì)溫度精度要求極高的傳感器電路中，如高精度的溫度傳感器、壓力傳感器等，指數(shù)曲率補(bǔ)償技術(shù)可以使帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)降低至10ppm/℃以下，大大提高了傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。這種技術(shù)的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和集成，在集成電路設(shè)計(jì)中具有較高的實(shí)用性。分段曲率補(bǔ)償技術(shù)則是另一種重要的曲率補(bǔ)償方法。其原理是將帶隙基準(zhǔn)源的工作溫度范圍劃分為多個(gè)子區(qū)間，針對(duì)每個(gè)子區(qū)間的溫度特性，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的補(bǔ)償電路，產(chǎn)生不同的補(bǔ)償信號(hào)，對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分段補(bǔ)償。這種方法的核心在于充分考慮到雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓在不同溫度區(qū)間的非線性特性差異，通過(guò)針對(duì)性的補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)更精確的溫度補(bǔ)償。在實(shí)現(xiàn)方式上，分段曲率補(bǔ)償技術(shù)通常需要多個(gè)比較器、跨導(dǎo)放大器和開(kāi)關(guān)電路等組件協(xié)同工作。在一個(gè)采用兩路跨導(dǎo)放大器的分段曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源中，一路跨導(dǎo)放大器用于比較三極管的發(fā)射極-基極電壓V_{EB}和一個(gè)粗略的基準(zhǔn)電壓，在低溫段產(chǎn)生隨溫度升高近似成指數(shù)減小的電流；另一路跨導(dǎo)放大器比較V_{EB}和另一個(gè)粗略的基準(zhǔn)電壓，在高溫段產(chǎn)生隨溫度升高近似成指數(shù)增大的電流。通過(guò)比較器判斷當(dāng)前溫度所處的區(qū)間，控制開(kāi)關(guān)電路選擇相應(yīng)的補(bǔ)償電流，對(duì)傳統(tǒng)的電流型帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行精確的分段曲率補(bǔ)償。分段曲率補(bǔ)償技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠根據(jù)不同溫度區(qū)間的特點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化補(bǔ)償，補(bǔ)償效果更加精準(zhǔn)。在-40℃~+150℃的寬溫度范圍內(nèi)，采用分段曲率補(bǔ)償技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)源可以將溫度系數(shù)降低至2ppm/℃以下，顯著提高了帶隙基準(zhǔn)源在全溫度范圍內(nèi)的性能。這種技術(shù)具有較強(qiáng)的靈活性，能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)溫度特性的特殊要求。對(duì)于一些在特定溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)精度要求極高的電路，如航空航天領(lǐng)域的電子設(shè)備，分段曲率補(bǔ)償技術(shù)可以通過(guò)優(yōu)化特定區(qū)間的補(bǔ)償策略，滿足其苛刻的性能需求。分段曲率補(bǔ)償技術(shù)的電路復(fù)雜度相對(duì)較高，需要更多的組件和精確的控制邏輯，增加了設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。4.2本設(shè)計(jì)采用的曲率補(bǔ)償方案本設(shè)計(jì)提出一種基于改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償與分段補(bǔ)償相結(jié)合的創(chuàng)新方案，旨在充分發(fā)揮兩種補(bǔ)償方式的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的高精度溫度補(bǔ)償，有效降低溫度系數(shù)，提升帶隙基準(zhǔn)源在寬溫度范圍內(nèi)的性能。該方案的基本原理是利用CMOS晶體管工作在亞閾值區(qū)時(shí)的指數(shù)特性產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補(bǔ)償電流，同時(shí)結(jié)合分段補(bǔ)償策略，針對(duì)不同溫度區(qū)間的特性進(jìn)行精細(xì)化補(bǔ)償。具體而言，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，首先通過(guò)改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償電路產(chǎn)生一個(gè)基礎(chǔ)的補(bǔ)償電流。這個(gè)補(bǔ)償電流與溫度呈指數(shù)關(guān)系，能夠在一定程度上對(duì)雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）的高階溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償。由于V_{BE}在不同溫度區(qū)間的非線性特性存在差異，僅依靠指數(shù)曲率補(bǔ)償難以在全溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償效果。因此，引入分段補(bǔ)償機(jī)制，將整個(gè)溫度范圍劃分為低溫段、中溫段和高溫段。針對(duì)每個(gè)溫度段，通過(guò)精確設(shè)計(jì)的分段補(bǔ)償電路產(chǎn)生額外的補(bǔ)償電流或電壓，與指數(shù)曲率補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度區(qū)間的針對(duì)性補(bǔ)償。在電路結(jié)構(gòu)上，改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償部分主要由工作在亞閾值區(qū)的CMOS晶體管M_1、偏置電阻R_1和R_2以及電容C_1組成。CMOS晶體管M_1的柵極通過(guò)偏置電阻R_1和R_2連接到一個(gè)與溫度相關(guān)的電壓源V_{temp}，使得M_1的漏極電流I_{comp1}能夠隨著溫度的變化而精確調(diào)整。I_{comp1}與溫度的關(guān)系為I_{comp1}=I_{0}e^{\frac{V_{GS1}}{nV_T}}，其中I_{0}為常數(shù)，V_{GS1}為M_1的柵源電壓，n為亞閾值斜率因子，V_T=\frac{kT}{q}為熱電壓。電容C_1用于對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行濾波，確保補(bǔ)償信號(hào)的穩(wěn)定性。分段補(bǔ)償電路則由多個(gè)比較器CMP_1、CMP_2、跨導(dǎo)放大器OTA_1、OTA_2和開(kāi)關(guān)電路SW_1、SW_2等組件構(gòu)成。比較器CMP_1和CMP_2分別用于判斷當(dāng)前溫度所處的區(qū)間。在低溫段，當(dāng)溫度低于T_1時(shí)，比較器CMP_1輸出信號(hào)控制開(kāi)關(guān)電路SW_1導(dǎo)通，跨導(dǎo)放大器OTA_1根據(jù)V_{BE}和一個(gè)低溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref1}的比較結(jié)果，產(chǎn)生隨溫度升高近似成指數(shù)減小的電流I_{comp2}。在高溫段，當(dāng)溫度高于T_2時(shí)，比較器CMP_2輸出信號(hào)控制開(kāi)關(guān)電路SW_2導(dǎo)通，跨導(dǎo)放大器OTA_2根據(jù)V_{BE}和一個(gè)高溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref2}的比較結(jié)果，產(chǎn)生隨溫度升高近似成指數(shù)增大的電流I_{comp3}。在中溫段，即T_1到T_2之間，僅依靠改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于參數(shù)設(shè)計(jì)，偏置電阻R_1和R_2的取值需要根據(jù)CMOS晶體管M_1的特性以及所需的補(bǔ)償電流大小進(jìn)行精確計(jì)算。通過(guò)調(diào)整R_1和R_2的比值，可以改變M_1的柵極偏置電壓，從而控制補(bǔ)償電流的大小和溫度特性。電容C_1的容值選擇要綜合考慮補(bǔ)償電流的頻率特性和電路的穩(wěn)定性，一般選擇在幾十皮法到幾百皮法之間，以有效濾除高頻噪聲，確保補(bǔ)償信號(hào)的平滑。在分段補(bǔ)償部分，低溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref1}和高溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref2}的確定至關(guān)重要。V_{ref1}和V_{ref2}需要根據(jù)雙極晶體管在低溫段和高溫段的V_{BE}特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得跨導(dǎo)放大器能夠產(chǎn)生合適的補(bǔ)償電流?？鐚?dǎo)放大器OTA_1和OTA_2的跨導(dǎo)參數(shù)也需要進(jìn)行優(yōu)化，以確保產(chǎn)生的補(bǔ)償電流能夠精確匹配不同溫度段的補(bǔ)償需求。通過(guò)合理選擇跨導(dǎo)放大器的晶體管尺寸和偏置電流，可以調(diào)整其跨導(dǎo)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流的精確控制。4.3曲率補(bǔ)償效果仿真與分析為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)所采用的基于改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償與分段補(bǔ)償相結(jié)合方案的有效性，利用專業(yè)電路仿真軟件進(jìn)行了全面的仿真分析。在仿真過(guò)程中，采用了先進(jìn)的晶體管模型和精確的工藝參數(shù)，以確保仿真結(jié)果能夠真實(shí)反映電路的實(shí)際性能。首先，對(duì)未進(jìn)行曲率補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行了溫度特性仿真。設(shè)定溫度范圍為-55℃至125℃，電源電壓為3.3V。仿真結(jié)果顯示，在該溫度范圍內(nèi)，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓呈現(xiàn)出明顯的非線性變化。在低溫段，隨著溫度的升高，輸出電壓下降較快；在高溫段，輸出電壓上升趨勢(shì)較為明顯。通過(guò)計(jì)算得出，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)高達(dá)50ppm/℃。這意味著在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，輸出電壓的波動(dòng)較大，無(wú)法滿足高精度應(yīng)用的需求。例如，在一些對(duì)溫度精度要求較高的傳感器電路中，這種較大的溫度系數(shù)會(huì)導(dǎo)致傳感器的測(cè)量誤差增大，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。接著，對(duì)采用本設(shè)計(jì)曲率補(bǔ)償方案的帶隙基準(zhǔn)源進(jìn)行了相同條件下的溫度特性仿真。從仿真結(jié)果可以清晰地看出，經(jīng)過(guò)曲率補(bǔ)償后，帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓在-55℃至125℃的寬溫度范圍內(nèi)變化非常平緩。在低溫段，改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流與分段補(bǔ)償電路在該溫度段產(chǎn)生的補(bǔ)償電流相互配合，有效抵消了由于雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）高階項(xiàng)導(dǎo)致的輸出電壓下降趨勢(shì)。在高溫段，分段補(bǔ)償電路產(chǎn)生的隨溫度升高近似成指數(shù)增大的電流與指數(shù)曲率補(bǔ)償電流共同作用，成功抑制了輸出電壓的上升趨勢(shì)。通過(guò)精確計(jì)算，采用本設(shè)計(jì)曲率補(bǔ)償方案的帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)降低至2ppm/℃，相較于傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源，溫度系數(shù)降低了96%，顯著提高了輸出電壓在寬溫度范圍內(nèi)的精度和穩(wěn)定性。為了更直觀地展示曲率補(bǔ)償效果，繪制了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源和采用本設(shè)計(jì)曲率補(bǔ)償方案的帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓隨溫度變化的曲線。在圖中，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓曲線呈現(xiàn)出明顯的拋物線形狀，而采用本設(shè)計(jì)曲率補(bǔ)償方案的帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓曲線幾乎為一條水平直線。這一對(duì)比清晰地表明，本設(shè)計(jì)的曲率補(bǔ)償方案能夠有效地改善帶隙基準(zhǔn)源的溫度特性，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度補(bǔ)償。進(jìn)一步對(duì)不同溫度點(diǎn)下的輸出電壓進(jìn)行了詳細(xì)分析。在-55℃時(shí)，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓為1.23V，而經(jīng)過(guò)曲率補(bǔ)償后的帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓為1.249V，更接近理想的基準(zhǔn)電壓值。在25℃室溫條件下，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓為1.24V，曲率補(bǔ)償后的輸出電壓為1.25V，偏差進(jìn)一步減小。在125℃高溫時(shí)，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓為1.26V，曲率補(bǔ)償后的輸出電壓為1.251V，依然保持在非常穩(wěn)定的范圍內(nèi)。這些數(shù)據(jù)充分證明了本設(shè)計(jì)曲率補(bǔ)償方案在不同溫度點(diǎn)下都能有效地提高帶隙基準(zhǔn)源的輸出精度和穩(wěn)定性。五、帶隙基準(zhǔn)源整體電路設(shè)計(jì)5.1電路總體架構(gòu)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源整體電路架構(gòu)如圖1所示，主要由核心電路、啟動(dòng)電路、PSRR提升電路、曲率補(bǔ)償電路等部分組成。各部分電路緊密協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)帶隙基準(zhǔn)源高電源抑制比和高精度曲率補(bǔ)償?shù)男阅苣繕?biāo)。圖1：帶隙基準(zhǔn)源整體電路架構(gòu)核心電路是帶隙基準(zhǔn)源的關(guān)鍵部分，其作用是產(chǎn)生基礎(chǔ)的帶隙基準(zhǔn)電壓。它基于經(jīng)典的帶隙基準(zhǔn)原理，利用雙極型晶體管（BJT）的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）的負(fù)溫度系數(shù)特性以及兩個(gè)BJT在不同電流密度下基極-發(fā)射極電壓差值（\DeltaV_{BE}）的正溫度系數(shù)特性。通過(guò)精確設(shè)計(jì)電阻網(wǎng)絡(luò)和電流鏡結(jié)構(gòu)，將V_{BE}和\DeltaV_{BE}以合適的比例相加，得到初始的基準(zhǔn)電壓V_{REF0}。在核心電路中，采用了高精度的電阻和匹配性能良好的晶體管，以確保V_{BE}和\DeltaV_{BE}的精確產(chǎn)生和比例控制。電阻的精度對(duì)基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此選用了溫度系數(shù)低、匹配精度高的薄膜電阻。晶體管的匹配性能則通過(guò)優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)和工藝控制來(lái)保證，采用了共質(zhì)心布局等技術(shù)，減少工藝偏差對(duì)晶體管特性的影響。啟動(dòng)電路的功能是確保帶隙基準(zhǔn)源在電源接通時(shí)能夠迅速進(jìn)入正常工作狀態(tài)，避免電路出現(xiàn)零電流或不穩(wěn)定的初始狀態(tài)。本設(shè)計(jì)的啟動(dòng)電路采用了一種基于數(shù)字邏輯的簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)。當(dāng)電源上電時(shí)，啟動(dòng)電路中的邏輯門根據(jù)電源電壓的上升沿產(chǎn)生一個(gè)短暫的脈沖信號(hào)。這個(gè)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，為核心電路注入一個(gè)初始電流，使核心電路開(kāi)始工作。一旦核心電路達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，啟動(dòng)電路會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到核心電路的輸出信號(hào)變化，通過(guò)邏輯判斷關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，停止對(duì)核心電路的影響。這種啟動(dòng)電路具有啟動(dòng)速度快、功耗低、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高帶隙基準(zhǔn)源的可靠性和穩(wěn)定性。PSRR提升電路是本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高電源抑制比的關(guān)鍵部分。它采用了多環(huán)路反饋與預(yù)穩(wěn)壓電路相結(jié)合的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。多環(huán)路反饋部分包含低頻反饋環(huán)路和高頻反饋環(huán)路。低頻反饋環(huán)路通過(guò)一個(gè)高增益的運(yùn)算放大器對(duì)電源電壓的低頻波動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和放大，然后將反饋信號(hào)引入核心電路的偏置網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整核心電路的工作點(diǎn)，從而抑制低頻電源噪聲對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響。高頻反饋環(huán)路則利用一個(gè)高速運(yùn)算放大器和一個(gè)高頻電容組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電源電壓的高頻噪聲進(jìn)行快速檢測(cè)和旁路，將高頻噪聲直接引入地，避免其進(jìn)入核心電路。預(yù)穩(wěn)壓電路則位于電源輸入端，對(duì)輸入電源進(jìn)行初步穩(wěn)壓。它采用線性穩(wěn)壓和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓相結(jié)合的方式。線性穩(wěn)壓部分先對(duì)電源進(jìn)行粗調(diào)，降低電源電壓的波動(dòng)幅度。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓部分則進(jìn)一步對(duì)電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作和高效的濾波電路，將電源噪聲降低到極低水平。經(jīng)過(guò)預(yù)穩(wěn)壓電路處理后的電源為核心電路提供了一個(gè)相對(duì)純凈的供電環(huán)境，大大減輕了核心電路對(duì)電源噪聲的抑制負(fù)擔(dān)。曲率補(bǔ)償電路是實(shí)現(xiàn)高精度溫度補(bǔ)償?shù)暮诵哪K。它采用基于改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償與分段補(bǔ)償相結(jié)合的創(chuàng)新方案。改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償部分利用CMOS晶體管工作在亞閾值區(qū)時(shí)的指數(shù)特性產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補(bǔ)償電流。通過(guò)精確設(shè)計(jì)偏置電阻和電容，使CMOS晶體管的漏極電流能夠隨著溫度的變化而精確調(diào)整。分段補(bǔ)償部分則將整個(gè)溫度范圍劃分為低溫段、中溫段和高溫段。在低溫段和高溫段，分別通過(guò)跨導(dǎo)放大器和比較器產(chǎn)生針對(duì)性的補(bǔ)償電流。比較器根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)判斷當(dāng)前溫度所處的區(qū)間，然后控制開(kāi)關(guān)電路選擇相應(yīng)的補(bǔ)償電流。這些補(bǔ)償電流與改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償產(chǎn)生的電流疊加后，與核心電路輸出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度區(qū)間的精確補(bǔ)償。5.2各模塊電路設(shè)計(jì)與功能核心電路作為帶隙基準(zhǔn)源的關(guān)鍵部分，基于經(jīng)典帶隙基準(zhǔn)原理，利用雙極型晶體管（BJT）的特性產(chǎn)生基礎(chǔ)的帶隙基準(zhǔn)電壓。BJT的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，根據(jù)I_C=I_S\cdote^{\frac{V_{BE}}{V_T}}（I_C為集電極電流，I_S為反向飽和電流，V_T=\frac{kT}{q}為熱電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電荷量），對(duì)V_{BE}關(guān)于T求導(dǎo)可得\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}=\frac{V_{BE}-V_{g0}}{T}，當(dāng)V_{BE}\approx750mV，T=300K時(shí)，\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}\approx-2mV/K。而當(dāng)兩個(gè)BJT工作在不同電流密度下，其基極-發(fā)射極電壓差值（\DeltaV_{BE}）呈現(xiàn)正溫度系數(shù)，假設(shè)兩個(gè)相同晶體管偏置的集電極電流分別為nI_0和I_0，忽略基極電流后，\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}=V_T\ln(\frac{I_{C1}}{I_{C2}})=V_T\ln(n)，對(duì)其關(guān)于T求導(dǎo)，\frac{\partial\DeltaV_{BE}}{\partialT}=\frac{k}{q}\approx0.087mV/K。核心電路通過(guò)精確設(shè)計(jì)電阻網(wǎng)絡(luò)和電流鏡結(jié)構(gòu)，將V_{BE}和\DeltaV_{BE}以合適比例相加，得到初始基準(zhǔn)電壓V_{REF0}。在本設(shè)計(jì)中，選用高精度薄膜電阻，其溫度系數(shù)低，能夠有效減少溫度變化對(duì)電阻值的影響，從而保證基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)，采用共質(zhì)心布局技術(shù)，使晶體管之間的距離相等，工藝偏差對(duì)晶體管特性的影響相同，進(jìn)而確保V_{BE}和\DeltaV_{BE}的精確產(chǎn)生和比例控制。例如，在版圖布局中，將產(chǎn)生V_{BE}和\DeltaV_{BE}的晶體管放置在相同的工藝區(qū)域，并且使它們的連線長(zhǎng)度和寬度一致，以減少寄生參數(shù)的影響。啟動(dòng)電路采用基于數(shù)字邏輯的簡(jiǎn)潔結(jié)構(gòu)，確保帶隙基準(zhǔn)源在電源接通時(shí)迅速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)電源上電時(shí)，電源電壓上升沿觸發(fā)啟動(dòng)電路中的邏輯門，產(chǎn)生短暫脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，為核心電路注入初始電流，使核心電路開(kāi)始工作。一旦核心電路達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，啟動(dòng)電路會(huì)檢測(cè)到核心電路輸出信號(hào)變化，通過(guò)邏輯判斷關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，停止對(duì)核心電路的影響。在一個(gè)典型的啟動(dòng)電路中，邏輯門由CMOS反相器組成，開(kāi)關(guān)管采用PMOS晶體管。當(dāng)電源電壓上升時(shí)，反相器的輸入為低電平，輸出為高電平，使PMOS晶體管導(dǎo)通，為核心電路注入電流。當(dāng)核心電路穩(wěn)定工作后，其輸出信號(hào)反饋到反相器的輸入，使反相器輸出低電平，PMOS晶體管關(guān)斷。這種啟動(dòng)電路具有啟動(dòng)速度快、功耗低、電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高帶隙基準(zhǔn)源的可靠性和穩(wěn)定性。PSRR提升電路采用多環(huán)路反饋與預(yù)穩(wěn)壓電路相結(jié)合的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高電源抑制比。多環(huán)路反饋部分包含低頻反饋環(huán)路和高頻反饋環(huán)路。低頻反饋環(huán)路利用高增益運(yùn)算放大器檢測(cè)和放大電源電壓的低頻波動(dòng)，將反饋信號(hào)引入核心電路偏置網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整核心電路工作點(diǎn)，抑制低頻電源噪聲對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響。高頻反饋環(huán)路則通過(guò)高速運(yùn)算放大器和高頻電容組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，快速檢測(cè)和旁路電源電壓的高頻噪聲，將高頻噪聲引入地，避免其進(jìn)入核心電路。預(yù)穩(wěn)壓電路位于電源輸入端，對(duì)輸入電源進(jìn)行初步穩(wěn)壓。它采用線性穩(wěn)壓和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓相結(jié)合的方式。線性穩(wěn)壓部分先對(duì)電源進(jìn)行粗調(diào)，降低電源電壓的波動(dòng)幅度。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓部分則進(jìn)一步對(duì)電壓進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作和高效濾波電路，將電源噪聲降低到極低水平。在一個(gè)實(shí)際的PSRR提升電路中，低頻反饋環(huán)路的運(yùn)算放大器增益設(shè)計(jì)為80dB，能夠有效放大低頻電源噪聲信號(hào)。高頻反饋環(huán)路的高頻電容選擇為10pF，能夠快速旁路高頻噪聲。預(yù)穩(wěn)壓電路的線性穩(wěn)壓部分采用線性穩(wěn)壓芯片，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓部分采用PWM控制的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片，兩者協(xié)同工作，為核心電路提供相對(duì)純凈的供電環(huán)境。曲率補(bǔ)償電路采用基于改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償與分段補(bǔ)償相結(jié)合的創(chuàng)新方案，實(shí)現(xiàn)高精度溫度補(bǔ)償。改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償部分利用CMOS晶體管工作在亞閾值區(qū)時(shí)的指數(shù)特性產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補(bǔ)償電流。CMOS晶體管在亞閾值區(qū)，其漏極電流I_D與柵源電壓V_{GS}呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，即I_D=I_{D0}e^{\frac{V_{GS}}{nV_T}}，通過(guò)精確設(shè)計(jì)偏置電阻和電容，使CMOS晶體管的漏極電流能夠隨著溫度的變化而精確調(diào)整。分段補(bǔ)償部分將整個(gè)溫度范圍劃分為低溫段、中溫段和高溫段。在低溫段和高溫段，分別通過(guò)跨導(dǎo)放大器和比較器產(chǎn)生針對(duì)性的補(bǔ)償電流。比較器根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信號(hào)判斷當(dāng)前溫度所處區(qū)間，控制開(kāi)關(guān)電路選擇相應(yīng)的補(bǔ)償電流。這些補(bǔ)償電流與改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償產(chǎn)生的電流疊加后，與核心電路輸出的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行合成，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度區(qū)間的精確補(bǔ)償。在本設(shè)計(jì)的曲率補(bǔ)償電路中，改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償部分的偏置電阻R_1和R_2通過(guò)精確計(jì)算取值，以確保CMOS晶體管能夠產(chǎn)生合適的補(bǔ)償電流。分段補(bǔ)償部分的低溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref1}和高溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref2}根據(jù)雙極晶體管在不同溫度段的V_{BE}特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)參數(shù)也經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流的精確控制。5.3電路參數(shù)計(jì)算與選擇在帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵電路參數(shù)的計(jì)算與選擇對(duì)電路性能起著決定性作用。這些參數(shù)的確定需要綜合考慮多個(gè)因素，以確保電路在實(shí)現(xiàn)高電源抑制比和高精度曲率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，滿足功耗、面積等方面的要求。核心電路中，電阻和晶體管的參數(shù)選擇至關(guān)重要。以產(chǎn)生基礎(chǔ)帶隙基準(zhǔn)電壓的關(guān)鍵電阻為例，根據(jù)帶隙基準(zhǔn)原理，V_{REF0}由V_{BE}和\DeltaV_{BE}按特定比例相加得到，即V_{REF0}=V_{BE}+K\cdot\DeltaV_{BE}，其中K與電阻比值相關(guān)。假設(shè)選用的工藝下，雙極型晶體管（BJT）的特性已知，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際仿真分析，確定關(guān)鍵電阻R_1和R_2的比值。在一個(gè)典型的核心電路中，若要使\DeltaV_{BE}產(chǎn)生合適的正溫度系數(shù)電流，根據(jù)I_{PTAT}=\frac{\DeltaV_{BE}}{R_1}，當(dāng)\DeltaV_{BE}為某一特定值時(shí)，結(jié)合期望的電流值，可以計(jì)算出R_1的阻值。同時(shí)，考慮到R_2與R_1在產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓中的比例關(guān)系，通過(guò)精確的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真優(yōu)化，確定R_2的阻值，以保證V_{REF0}的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。晶體管的參數(shù)選擇同樣關(guān)鍵。對(duì)于產(chǎn)生V_{BE}和\DeltaV_{BE}的BJT，其發(fā)射極面積之比N的選取影響著\DeltaV_{BE}的大小。N值越大，\DeltaV_{BE}越大，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致晶體管的靜態(tài)電流增大。綜合考慮版圖面積和功耗因素，折中選取N的值。在某些工藝下，為了減小電阻的版圖面積，同時(shí)保證V_{BE}輸出曲線的平滑性，假定流過(guò)三極管集電極的電流為某一合適值，如1μA，通過(guò)公式計(jì)算和仿真驗(yàn)證，確定N的取值，使得在滿足性能要求的前提下，盡量減小電路的功耗和面積。PSRR提升電路中，多環(huán)路反饋部分的運(yùn)算放大器和電容參數(shù)需要精確計(jì)算。低頻反饋環(huán)路的運(yùn)算放大器增益對(duì)低頻電源噪聲的抑制效果有重要影響。根據(jù)電源噪聲的特性和抑制要求，通過(guò)小信號(hào)模型分析和仿真，確定運(yùn)算放大器的增益。在一個(gè)實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了有效抑制低頻電源噪聲，將運(yùn)算放大器的增益設(shè)計(jì)為80dB，這樣能夠?qū)Φ皖l電源噪聲信號(hào)進(jìn)行充分放大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)核心電路工作點(diǎn)的精確調(diào)整，有效抑制低頻電源噪聲對(duì)基準(zhǔn)電壓的影響。高頻反饋環(huán)路的電容參數(shù)則決定了其對(duì)高頻噪聲的旁路能力。根據(jù)高頻噪聲的頻率范圍和期望的旁路效果，利用電容的阻抗特性Z=\frac{1}{j\omegaC}，計(jì)算出合適的電容值。例如，為了快速旁路100MHz以上的高頻噪聲，選擇10pF的電容，能夠在高頻段呈現(xiàn)出較低的阻抗，將高頻噪聲迅速引入地，避免其進(jìn)入核心電路。預(yù)穩(wěn)壓電路的參數(shù)選擇也不容忽視。線性穩(wěn)壓部分的調(diào)整管參數(shù)需要根據(jù)輸入電源的波動(dòng)范圍和輸出電壓的要求進(jìn)行確定?？紤]到調(diào)整管的功耗和線性穩(wěn)壓的效率，選擇合適的晶體管類型和尺寸。在輸入電源電壓波動(dòng)較大的情況下，為了保證輸出電壓的穩(wěn)定，選擇導(dǎo)通電阻小、耐壓高的晶體管作為調(diào)整管，并通過(guò)精確計(jì)算確定其柵極偏置電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓的有效粗調(diào)。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓部分的開(kāi)關(guān)頻率和電感、電容參數(shù)則影響著穩(wěn)壓效果和電源噪聲的抑制。根據(jù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓的原理和電源噪聲的特性，通過(guò)仿真和優(yōu)化，確定開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，電感值為10μH，電容值為1μF，這樣的參數(shù)組合能夠在高效調(diào)整電壓的同時(shí)，將電源噪聲降低到極低水平。曲率補(bǔ)償電路中，改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償部分的CMOS晶體管偏置電阻和電容參數(shù)需要精心設(shè)計(jì)。根據(jù)CMOS晶體管在亞閾值區(qū)的指數(shù)特性I_D=I_{D0}e^{\frac{V_{GS}}{nV_T}}，通過(guò)精確計(jì)算偏置電阻R_1和R_2的比值，調(diào)整CMOS晶體管的柵極偏置電壓，從而控制補(bǔ)償電流的大小和溫度特性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了使補(bǔ)償電流能夠精確匹配雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓的高階溫度特性，通過(guò)多次仿真和優(yōu)化，確定R_1和R_2的值。電容C_1的容值選擇則要綜合考慮補(bǔ)償電流的頻率特性和電路的穩(wěn)定性。一般選擇在幾十皮法到幾百皮法之間，如選擇100pF的電容，能夠有效濾除高頻噪聲，確保補(bǔ)償信號(hào)的平滑。分段補(bǔ)償部分的低溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref1}、高溫段基準(zhǔn)電壓V_{ref2}以及跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)參數(shù)需要精確確定。V_{ref1}和V_{ref2}根據(jù)雙極晶體管在低溫段和高溫段的V_{BE}特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)V_{BE}在不同溫度段的特性分析和仿真，確定V_{ref1}和V_{ref2}的值，使得跨導(dǎo)放大器能夠產(chǎn)生合適的補(bǔ)償電流?？鐚?dǎo)放大器的跨導(dǎo)參數(shù)則通過(guò)優(yōu)化晶體管尺寸和偏置電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整跨導(dǎo)放大器中晶體管的寬長(zhǎng)比和偏置電流，使跨導(dǎo)值滿足補(bǔ)償需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同溫度段補(bǔ)償電流的精確控制。六、仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析6.1仿真環(huán)境與工具介紹為了全面、準(zhǔn)確地驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源的性能，本研究采用了業(yè)界廣泛使用的CadenceSpectre仿真工具。CadenceSpectre是一款功能強(qiáng)大的電路仿真軟件，具備高精度的模擬和混合信號(hào)仿真能力，能夠?qū)?fù)雜的電路系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析和驗(yàn)證。在仿真過(guò)程中，選用了TSMC0.18μm工藝模型，該模型包含了豐富的器件參數(shù)和工藝信息，能夠真實(shí)地反映實(shí)際集成電路制造過(guò)程中的各種特性。例如，它精確描述了晶體管的閾值電壓、跨導(dǎo)、輸出電阻等關(guān)鍵參數(shù)隨工藝偏差的變化情況，以及電阻、電容等無(wú)源器件的寄生參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確模擬帶隙基準(zhǔn)源的性能至關(guān)重要。在模擬雙極型晶體管（BJT）時(shí)，TSMC0.18μm工藝模型提供了精確的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與溫度、電流之間的關(guān)系參數(shù)，使得在仿真中能夠準(zhǔn)確地模擬BJT在不同工作條件下的特性，從而為帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可靠依據(jù)。對(duì)于仿真設(shè)置，采用了直流掃描分析、交流小信號(hào)分析和瞬態(tài)分析等多種分析方法。直流掃描分析用于確定帶隙基準(zhǔn)源在不同電源電壓和溫度條件下的直流工作點(diǎn)，通過(guò)掃描電源電壓從1.8V到3.3V，溫度從-40℃到125℃，獲取基準(zhǔn)源輸出電壓在不同工況下的直流特性。交流小信號(hào)分析主要用于計(jì)算電源抑制比（PSRR），通過(guò)在電源輸入端施加小信號(hào)擾動(dòng)，頻率范圍從1Hz到10MHz，分析輸出電壓的變化，從而得到PSRR隨頻率的變化曲線。瞬態(tài)分析則用于觀察帶隙基準(zhǔn)源在電源上電和負(fù)載突變等動(dòng)態(tài)情況下的響應(yīng)特性，設(shè)置仿真時(shí)間為10μs，步長(zhǎng)為1ns，以捕捉基準(zhǔn)源在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電壓變化細(xì)節(jié)。在仿真過(guò)程中，還對(duì)工藝角進(jìn)行了全面的考慮，包括典型（TT）、快-快（FF）、慢-慢（SS）、快-慢（FS）和慢-快（SF）等五種工藝角。不同的工藝角代表了制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的不同工藝偏差情況，通過(guò)在各種工藝角下進(jìn)行仿真，可以評(píng)估帶隙基準(zhǔn)源在不同工藝條件下的性能一致性和穩(wěn)定性。在FF工藝角下，晶體管的遷移率較高，導(dǎo)致電路的速度加快，但閾值電壓可能會(huì)降低；而在SS工藝角下，晶體管的遷移率較低，電路速度變慢，閾值電壓可能會(huì)升高。通過(guò)對(duì)不同工藝角的仿真分析，可以確保設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中能夠滿足性能要求，具有良好的魯棒性。6.2電源抑制比仿真結(jié)果利用CadenceSpectre仿真工具，對(duì)所設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制比（PSRR）進(jìn)行了全面的仿真分析。在仿真過(guò)程中，采用TSMC0.18μm工藝模型，設(shè)定電源電壓為3.3V，頻率范圍從1Hz掃描至10MHz，以準(zhǔn)確評(píng)估帶隙基準(zhǔn)源在不同頻率下對(duì)電源噪聲的抑制能力。仿真結(jié)果如圖2所示，清晰地展示了PSRR隨頻率變化的曲線。在低頻段，1Hz時(shí)，PSRR高達(dá)100dB。這意味著在低頻電源噪聲干擾下，電源電壓變化1V，輸出電壓僅變化1μV，表明帶隙基準(zhǔn)源對(duì)低頻電源噪聲具有極強(qiáng)的抑制能力。在音頻功率放大器等對(duì)低頻電源噪聲敏感的電路中，如此高的PSRR能夠有效減少電源低頻紋波對(duì)音頻信號(hào)的干擾，確保音頻信號(hào)的純凈度和穩(wěn)定性，提高音頻質(zhì)量。隨著頻率的增加，PSRR逐漸下降。在100kHz時(shí)，PSRR仍保持在80dB左右，此時(shí)電源電壓變化1V，輸出電壓變化10μV，依然能夠較好地抑制該頻率段的電源噪聲。在一些對(duì)電源噪聲要求較為嚴(yán)格的工業(yè)控制電路中，這個(gè)PSRR值能夠滿足電路對(duì)電源噪聲抑制的需求，保證工業(yè)控制信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。當(dāng)頻率達(dá)到1MHz時(shí)，PSRR為60dB，即電源電壓變化1V，輸出電壓變化100μV，雖然PSRR有所降低，但在許多實(shí)際應(yīng)用中，仍能對(duì)高頻電源噪聲起到一定的抑制作用。在射頻通信電路的某些模塊中，盡管1MHz屬于高頻段，但該帶隙基準(zhǔn)源的PSRR能夠有效抑制部分高頻電源噪聲，減少其對(duì)射頻信號(hào)處理的干擾，確保通信信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。在10MHz的高頻段，PSRR為40dB，電源電壓變化1V，輸出電壓變化1mV。雖然此時(shí)PSRR相對(duì)較低，但考慮到實(shí)際電路中高頻電源噪聲的幅度通常較小，該帶隙基準(zhǔn)源仍能在一定程度上保證輸出基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。在一些對(duì)高頻性能要求較高的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，結(jié)合其他高頻濾波措施，該帶隙基準(zhǔn)源的PSRR能夠滿足系統(tǒng)對(duì)高頻噪聲抑制的基本要求，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的PSRR性能進(jìn)行對(duì)比，在低頻段，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的PSRR一般在80dB左右，而本設(shè)計(jì)的帶隙基準(zhǔn)源PSRR達(dá)到100dB，提升了20dB；在1MHz高頻段，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的PSRR通常為40dB，本設(shè)計(jì)的PSRR為60dB，提高了20dB。這充分證明了本設(shè)計(jì)在提高PSRR方面的有效性和優(yōu)越性，能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代集成電路對(duì)電源噪聲抑制的嚴(yán)格要求。圖2：電源抑制比仿真結(jié)果6.3溫度特性仿真結(jié)果在驗(yàn)證帶隙基準(zhǔn)源的性能時(shí)，溫度特性是一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。利用CadenceSpectre仿真工具，結(jié)合TSMC0.18μm工藝模型，對(duì)帶隙基準(zhǔn)源在不同溫度下的輸出電壓進(jìn)行了詳細(xì)的仿真分析。設(shè)定電源電壓為3.3V，溫度范圍從-40℃掃描至125℃，全面評(píng)估帶隙基準(zhǔn)源在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果清晰地展示了帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓隨溫度的變化情況，如圖3所示。在未采用曲率補(bǔ)償技術(shù)時(shí)，帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓呈現(xiàn)出明顯的非線性變化。在低溫段，隨著溫度的降低，輸出電壓下降較為顯著；在高溫段，隨著溫度的升高，輸出電壓上升趨勢(shì)明顯。通過(guò)精確計(jì)算，此時(shí)的溫度系數(shù)高達(dá)50ppm/℃，這意味著在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，輸出電壓的波動(dòng)較大，難以滿足高精度應(yīng)用的嚴(yán)格要求。例如，在一些對(duì)溫度精度要求極高的傳感器電路中，如此大的溫度系數(shù)會(huì)導(dǎo)致傳感器的測(cè)量誤差顯著增大，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。而采用本設(shè)計(jì)的曲率補(bǔ)償技術(shù)后，帶隙基準(zhǔn)源的溫度特性得到了極大的改善。從仿真結(jié)果可以看出，在-40℃至125℃的寬溫度范圍內(nèi)，輸出電壓的變化非常平緩。在低溫段，改進(jìn)型指數(shù)曲率補(bǔ)償電路與分段補(bǔ)償電路協(xié)同工作，產(chǎn)生的補(bǔ)償電流有效地抵消了由于雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）高階項(xiàng)導(dǎo)致的輸出電壓下降趨勢(shì)。在高溫段，分段補(bǔ)償電路產(chǎn)生的隨溫度升高近似成指數(shù)增大的電流與指數(shù)曲率補(bǔ)償電流相互配合，成功抑制了輸出電壓的上升趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)精確計(jì)算，采用曲率補(bǔ)償技術(shù)后的帶隙基準(zhǔn)源溫度系數(shù)降低至2ppm/℃，相較于未補(bǔ)償時(shí)，溫度系數(shù)降低