基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源：原理、設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化一、引言1.1研究背景在現(xiàn)代集成電路技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，模擬集成電路作為電子系統(tǒng)中不可或缺的部分，其性能和精度對整個(gè)系統(tǒng)起著關(guān)鍵作用?；鶞?zhǔn)電壓源作為模擬集成電路中的核心模塊，為其他電路提供穩(wěn)定、精確的電壓參考，是確保電路穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)高精度功能的基礎(chǔ)，其性能直接影響著整個(gè)集成電路系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。例如在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，基準(zhǔn)電壓源的精度決定了轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率和準(zhǔn)確性；在電壓比較器中，精確的基準(zhǔn)電壓能保證比較結(jié)果的可靠性。傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓源如電阻器、二極管等，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但存在精度低、溫度特性差等缺點(diǎn)，難以滿足現(xiàn)代高性能集成電路的需求。帶隙基準(zhǔn)電壓源基于半導(dǎo)體材料的帶隙特性，通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，將具有正溫度系數(shù)的熱電壓與具有負(fù)溫度系數(shù)的雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓對溫度變化的高度不敏感性，能產(chǎn)生精度高、溫度系數(shù)小的基準(zhǔn)電壓，自二十世紀(jì)七十年代問世以來，迅速成為模擬集成電路中應(yīng)用最為廣泛的基準(zhǔn)電壓源類型之一。隨著集成電路向小型化、低功耗、高性能方向發(fā)展，對帶隙基準(zhǔn)電壓源也提出了更高要求?；诨パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的帶隙基準(zhǔn)電壓源應(yīng)運(yùn)而生，CMOS工藝具有工藝簡單、器件面積小、集成度高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使得基于該工藝的帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠?qū)崿F(xiàn)芯片的高度集成，有效減小電路面積，降低功耗，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對小型化和低功耗的迫切需求，在近年來成為研究熱點(diǎn)。尤其是基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，通過利用襯底電壓的變化來改變電荷載流體積，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓的精確調(diào)整，進(jìn)一步提升了基準(zhǔn)電壓源的性能，展現(xiàn)出高精度、低溫度系數(shù)以及低功耗的顯著優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，對基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行深入分析與設(shè)計(jì)研究，對于推動集成電路技術(shù)發(fā)展，滿足不斷增長的市場需求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2研究目的與意義本研究旨在設(shè)計(jì)一種高性能、低功耗的基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源。通過深入分析襯底驅(qū)動技術(shù)在CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中的應(yīng)用原理和特性，優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，探索新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電壓源在溫度系數(shù)、電源抑制比、功耗以及輸出電壓精度等關(guān)鍵性能指標(biāo)上的顯著提升。同時(shí)，通過仿真和實(shí)際驗(yàn)證，確保所設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓源能夠滿足現(xiàn)代集成電路在各種復(fù)雜應(yīng)用場景下的嚴(yán)格要求。本研究具有多方面的重要意義。在提升集成電路性能方面，高性能的帶隙基準(zhǔn)電壓源作為模擬集成電路的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個(gè)集成電路系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良、功耗低的基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，能夠?yàn)殡妷罕容^器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器等各類模擬電路提供更加穩(wěn)定、精確的基準(zhǔn)電壓，從而有效提高這些電路的性能，進(jìn)而提升整個(gè)集成電路系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，滿足如通信、醫(yī)療、汽車電子等高端領(lǐng)域?qū)Ω呔取⒏叻€(wěn)定性集成電路的需求。從CMOS工藝發(fā)展角度來看，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，CMOS工藝在集成電路制造中占據(jù)著越來越重要的地位。然而，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)在面對CMOS工藝的不斷演進(jìn)時(shí)，出現(xiàn)了一些局限性，如難以實(shí)現(xiàn)高度集成、功耗較高等問題。研究基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，探索其在CMOS工藝下的實(shí)現(xiàn)方法和優(yōu)化策略，能夠充分發(fā)揮CMOS工藝的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)芯片的高度集成，有效減小電路面積，降低功耗。這不僅有助于解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在CMOS工藝下的難題，還能進(jìn)一步拓展CMOS工藝的適用范圍，推動CMOS工藝在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，為集成電路的小型化、低功耗化提供有力支持。此外，本研究對推動相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展也具有積極作用。帶隙基準(zhǔn)電壓源作為模擬集成電路領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)突破往往會帶動整個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。通過對基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的深入研究，有望推動半導(dǎo)體器件物理、電路設(shè)計(jì)理論、仿真技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，為新型集成電路設(shè)計(jì)提供新思路、新方法，促進(jìn)整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，提升我國在集成電路領(lǐng)域的技術(shù)水平和國際競爭力。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在帶隙基準(zhǔn)電壓源領(lǐng)域，國外研究起步較早，取得了眾多具有開創(chuàng)性的成果。早在二十世紀(jì)七十年代，國外學(xué)者就對帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，并實(shí)現(xiàn)了最初的帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)，為后續(xù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著CMOS工藝的發(fā)展，國外在基于CMOS工藝的帶隙基準(zhǔn)電壓源研究方面投入了大量精力。一些知名高校和科研機(jī)構(gòu)如斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等，在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，不斷探索新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，致力于提升帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能。例如，斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的溫度補(bǔ)償技術(shù)，成功設(shè)計(jì)出了一款溫度系數(shù)極低的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高精度的基準(zhǔn)電壓輸出，其研究成果在通信、醫(yī)療等對精度要求極高的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。此外，國外企業(yè)如德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）等，也在帶隙基準(zhǔn)電壓源的研發(fā)和生產(chǎn)方面具有深厚的技術(shù)積累，不斷推出高性能的帶隙基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)品，占據(jù)了全球市場的較大份額。國內(nèi)在帶隙基準(zhǔn)電壓源研究方面雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速，取得了一系列重要成果。眾多高校和科研機(jī)構(gòu)如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國科學(xué)院微電子研究所等，在國家政策的支持下，加大了對帶隙基準(zhǔn)電壓源的研究投入，在理論研究和工程應(yīng)用方面都取得了顯著進(jìn)展。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對傳統(tǒng)CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源電源抑制比低的問題，提出了一種基于改進(jìn)型運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)方案，通過優(yōu)化運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，有效提高了電源抑制比，提升了基準(zhǔn)電壓源在復(fù)雜電源環(huán)境下的穩(wěn)定性。北京大學(xué)則在低功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源研究方面取得突破，通過采用新型的功耗管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了帶隙基準(zhǔn)電壓源在低功耗模式下的高效運(yùn)行，滿足了物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等對低功耗的需求。然而，當(dāng)前無論是國內(nèi)還是國外的研究，在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源方面仍存在一些不足。一方面，襯底驅(qū)動技術(shù)對工藝的要求較高，不同工藝條件下襯底驅(qū)動器件的特性存在較大差異，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中難以保證基準(zhǔn)電壓源性能的一致性和穩(wěn)定性。另一方面，襯底偏壓的精確控制和溫度、噪聲等因素對基準(zhǔn)電壓源性能的影響機(jī)制尚未完全明確，這給進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)帶來了困難。此外，在實(shí)現(xiàn)高度集成和小型化的同時(shí)，如何兼顧基準(zhǔn)電壓源的高精度和低功耗，也是當(dāng)前研究面臨的挑戰(zhàn)之一。針對這些不足，本文將深入研究基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理和特性，分析工藝、襯底偏壓、溫度及噪聲等因素對其性能的影響，通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，探索新的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)，為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供新的思路和解決方案。1.4研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，圍繞其原理、設(shè)計(jì)、性能分析與優(yōu)化展開全面深入的研究。在帶隙基準(zhǔn)電壓源原理與實(shí)現(xiàn)方法研究方面，深入剖析基于半導(dǎo)體材料帶隙特性的帶隙基準(zhǔn)電壓源基本原理，探究如何將具有正溫度系數(shù)的熱電壓與具有負(fù)溫度系數(shù)的雙極晶體管基極-發(fā)射極電壓巧妙結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓輸出。詳細(xì)分析傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的實(shí)現(xiàn)方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。CMOS工藝下帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)原理與參數(shù)分析是另一重要內(nèi)容。深入研究CMOS工藝的特點(diǎn)及其對帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)的影響，分析在CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)原理和關(guān)鍵技術(shù)。探討溫度系數(shù)、穩(wěn)定性、電源抑制比等參數(shù)對電路性能的影響機(jī)制，通過理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)模型建立，明確各參數(shù)之間的相互關(guān)系，為電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。合適的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證同樣關(guān)鍵。根據(jù)研究需求和性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定電路中各元件的類型、數(shù)量和連接方式。利用專業(yè)的電路仿真軟件如Cadence、Spectre等，對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證電路的可行性和性能指標(biāo)是否滿足要求。通過仿真結(jié)果，分析電路中存在的問題和不足之處，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向。本研究還將通過參數(shù)調(diào)整、布局優(yōu)化等手段，優(yōu)化電路性能。在電路仿真的基礎(chǔ)上，對電路中的關(guān)鍵參數(shù)如電阻值、電容值、晶體管尺寸等進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，尋找最優(yōu)的參數(shù)組合，以提高基準(zhǔn)電壓源的性能指標(biāo)，如降低溫度系數(shù)、提高電源抑制比等。同時(shí)，考慮電路布局對性能的影響，采用合理的布局優(yōu)化方法，減小寄生效應(yīng)和電磁干擾，進(jìn)一步提升電路的性能和穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究采用多種研究方法。在文獻(xiàn)研究方面，廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于帶隙基準(zhǔn)電壓源、CMOS工藝、襯底驅(qū)動技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、研究報(bào)告和專利，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，掌握已有的研究成果和技術(shù)方法，為課題研究提供理論支持和技術(shù)參考。電路分析法則用于深入分析帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理和電路特性，建立電路模型，通過理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)分析，研究電路中各參數(shù)對性能的影響，為電路設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。在電路設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用電路分析方法對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估和改進(jìn)，確保電路的性能和可靠性。仿真驗(yàn)證也是重要的一環(huán)，利用專業(yè)的電路仿真軟件對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真分析，模擬電路在不同工作條件下的性能表現(xiàn)。通過仿真結(jié)果，驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性和可行性，發(fā)現(xiàn)電路中存在的問題和不足之處，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。仿真驗(yàn)證可以大大縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率。參數(shù)優(yōu)化法用于在電路仿真的基礎(chǔ)上，對電路中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，尋找最優(yōu)的參數(shù)組合，以提高電路的性能指標(biāo)。采用優(yōu)化算法和工具，對參數(shù)進(jìn)行自動優(yōu)化，提高優(yōu)化效率和精度。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1帶隙基準(zhǔn)電壓源基本原理2.1.1傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源工作原理傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理基于半導(dǎo)體材料的物理特性，其核心是利用晶體管的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與溫度的關(guān)系以及熱電壓（V_T）的特性來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。在硅晶體管中，V_{BE}具有負(fù)溫度系數(shù)，大約為-2mV/a??，即隨著溫度的升高，V_{BE}會逐漸減小。而熱電壓V_T由公式V_T=kT/q確定（其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量），具有正溫度系數(shù)，會隨溫度升高而增大。傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，將具有正溫度系數(shù)的V_T與具有負(fù)溫度系數(shù)的V_{BE}相結(jié)合。典型的電路結(jié)構(gòu)通常采用差分對管，其中兩個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE1}和V_{BE2}分別與溫度相關(guān)。通過對V_{BE1}和V_{BE2}進(jìn)行差分放大，得到一個(gè)與溫度有關(guān)的電壓差\DeltaV_{BE}，\DeltaV_{BE}同樣具有正溫度系數(shù)。將這個(gè)正溫度系數(shù)的\DeltaV_{BE}與V_{BE}相加，當(dāng)兩者的溫度系數(shù)相互抵消時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓輸出V_{REF}。其數(shù)學(xué)表達(dá)式可近似表示為V_{REF}=V_{BE}+nV_T（n為比例系數(shù)，通過電路參數(shù)調(diào)整確定）。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了提高帶隙基準(zhǔn)電路的精度和穩(wěn)定性，通常還會采用一些補(bǔ)償和優(yōu)化措施，如共源共柵結(jié)構(gòu)來提高差分放大的性能，采用運(yùn)算放大器來增強(qiáng)信號處理能力等。這種傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，在一定程度上能夠滿足許多應(yīng)用對基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性的要求，因此在早期的模擬集成電路中得到了廣泛應(yīng)用。然而，它也存在一些局限性，例如電源電壓較高（通常大于3V），基準(zhǔn)電壓范圍有限，難以滿足現(xiàn)代集成電路對低電壓、低功耗和高精度的嚴(yán)格要求。2.1.2基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源獨(dú)特原理基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源原理的基礎(chǔ)上，引入了襯底驅(qū)動技術(shù)，展現(xiàn)出獨(dú)特的工作原理。該技術(shù)利用CMOS工藝中晶體管的襯底與源極、漏極之間的電學(xué)特性，通過改變襯底電壓來調(diào)控晶體管的閾值電壓，進(jìn)而影響電荷載流體積，實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的精確調(diào)整。在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中，關(guān)鍵在于巧妙地利用襯底偏置效應(yīng)。當(dāng)對晶體管的襯底施加不同的偏置電壓時(shí)，襯底與溝道之間的電場會發(fā)生變化，這將導(dǎo)致晶體管的閾值電壓V_{TH}改變。根據(jù)晶體管的電流-電壓特性，閾值電壓的變化會直接影響到晶體管的導(dǎo)通電流和溝道電阻，從而改變電荷載流體積。例如，當(dāng)襯底偏置電壓增加時(shí)，對于N溝道MOSFET，其閾值電壓V_{TH}會增大，在相同的柵源電壓下，溝道中的載流子濃度降低，電荷載流體積減小，使得通過晶體管的電流減小；反之，當(dāng)襯底偏置電壓減小時(shí)，閾值電壓V_{TH}減小，電荷載流體積增大，電流增大。通過精心設(shè)計(jì)電路，將襯底電壓的變化與基準(zhǔn)電壓的生成過程緊密聯(lián)系起來。通常會構(gòu)建一個(gè)反饋回路，實(shí)時(shí)監(jiān)測基準(zhǔn)電壓的輸出，并根據(jù)輸出電壓與目標(biāo)值的偏差來調(diào)整襯底電壓。當(dāng)基準(zhǔn)電壓偏離設(shè)定值時(shí)，反饋回路會自動調(diào)整襯底偏置電壓，通過改變電荷載流體積，使基準(zhǔn)電壓回到穩(wěn)定的目標(biāo)值。這種基于襯底驅(qū)動的精確調(diào)控機(jī)制，使得該類型的帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠在更寬的溫度范圍和電源電壓波動條件下，保持更高的基準(zhǔn)電壓精度和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源相比，基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代集成電路對低功耗、高精度和高穩(wěn)定性的要求，為模擬集成電路的性能提升提供了有力支持。2.2CMOS工藝介紹CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）工藝，即互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝，是當(dāng)今集成電路制造的主流技術(shù)，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中占據(jù)著舉足輕重的地位。該工藝通過巧妙地將N型金屬氧化物半導(dǎo)體（NMOS）和P型金屬氧化物半導(dǎo)體（PMOS）晶體管集成在同一芯片上，利用兩者的互補(bǔ)特性來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的電路功能。CMOS工藝具有諸多顯著特點(diǎn)和優(yōu)勢。在功耗方面，CMOS電路展現(xiàn)出極低的功耗特性。當(dāng)電路處于靜態(tài)時(shí)，即沒有信號變化的狀態(tài)下，CMOS邏輯門中要么是NMOS導(dǎo)通，要么是PMOS導(dǎo)通，此時(shí)幾乎沒有電流流過，靜態(tài)功耗極低。只有在信號切換的瞬間，才會產(chǎn)生短暫的瞬態(tài)功耗，這種低功耗特性使得CMOS集成電路在電池供電的便攜式設(shè)備中具有巨大優(yōu)勢，能夠有效延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。在抗噪性上，CMOS集成電路表現(xiàn)出色。由于其工作基礎(chǔ)是電荷而非電流，CMOS電路對電源噪聲和其他環(huán)境噪聲具有更強(qiáng)的抵抗能力。在輸入信號過渡時(shí)，僅有很短的時(shí)間窗口存在電流流動，從而減少了因電流流動而引入的噪聲，使其在高速數(shù)據(jù)傳輸和噪聲環(huán)境較為復(fù)雜的應(yīng)用場景中能夠穩(wěn)定工作，保證信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。CMOS工藝還具備良好的集成度。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，CMOS晶體管的尺寸得以不斷縮小。這使得在同樣大小的芯片面積內(nèi)，可以集成更多數(shù)量的晶體管，極大地提高了芯片的集成度。同時(shí)，CMOS技術(shù)能夠支持模擬電路和數(shù)字電路的集成，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級芯片（SoC）奠定了基礎(chǔ)。在SoC中，可以將處理器、內(nèi)存、各種傳感器等多種功能模塊集成在單一芯片上，有效減小了芯片體積，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的性能和可靠性。此外，CMOS集成電路具有較低的溫度敏感性。與其他一些集成電路制造技術(shù)相比，CMOS工藝所使用的材料對溫度變化的響應(yīng)較小，這使得CMOS集成電路的性能和電路特性受溫度變化的影響相對較小。這種特性使其非常適合在寬溫度范圍內(nèi)工作的應(yīng)用環(huán)境，如汽車電子、航空航天等領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，設(shè)備可能會面臨較大的溫度變化，CMOS集成電路的低溫度敏感性能夠保證設(shè)備在不同溫度條件下穩(wěn)定運(yùn)行。CMOS工藝在集成電路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在數(shù)字電路方面，微處理器、微控制器以及各類數(shù)字邏輯電路等大量采用CMOS工藝制造。這些數(shù)字電路是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備的核心組成部分，CMOS工藝的低功耗和高集成度特性滿足了這些設(shè)備對高性能和小型化的需求。在模擬電路領(lǐng)域，CMOS工藝同樣發(fā)揮著重要作用。例如，圖像傳感器利用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了高分辨率、低噪聲的圖像采集功能，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)攝像頭等設(shè)備中；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），采用CMOS工藝能夠提高轉(zhuǎn)換精度和速度，滿足通信、音頻處理等領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的高精度要求；射頻電路（RFCMOS）在無線通信領(lǐng)域中至關(guān)重要，CMOS工藝使得射頻電路能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成，降低成本，提高性能，推動了無線通信技術(shù)的發(fā)展。對于基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)而言，CMOS工藝的特性有著深遠(yuǎn)影響。CMOS工藝的低功耗特性使得設(shè)計(jì)低功耗的帶隙基準(zhǔn)電壓源成為可能，這對于電池供電的設(shè)備或?qū)囊髧?yán)格的應(yīng)用場景至關(guān)重要。其高集成度特性則允許在有限的芯片面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，為帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能優(yōu)化提供了更多空間。例如，可以在同一芯片上集成更多的溫度補(bǔ)償電路、校準(zhǔn)電路等，以提高基準(zhǔn)電壓源的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)，CMOS工藝的良好兼容性使得帶隙基準(zhǔn)電壓源能夠與其他模擬和數(shù)字電路集成在同一芯片上，形成完整的系統(tǒng)，減少了芯片間的連接和信號傳輸損耗，提高了系統(tǒng)的可靠性和性能。然而，CMOS工藝也存在一些挑戰(zhàn)，如不同工藝廠家的工藝參數(shù)存在差異，這可能導(dǎo)致基于襯底驅(qū)動的帶隙基準(zhǔn)電壓源在性能上的不一致性。此外，隨著CMOS工藝尺寸的不斷縮小，器件的閾值電壓波動、噪聲等問題也會對帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能產(chǎn)生影響，需要在設(shè)計(jì)過程中加以充分考慮和優(yōu)化。2.3基準(zhǔn)電壓源關(guān)鍵性能指標(biāo)2.3.1溫度系數(shù)溫度系數(shù)是衡量帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它定量地描述了基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的敏感程度，通常用每攝氏度變化時(shí)輸出電壓的相對變化量來表示，單位為ppm/℃（百萬分之一每攝氏度）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為TC=\frac{1}{V_{REF}}\frac{\DeltaV_{REF}}{\DeltaT}\times10^6，其中TC為溫度系數(shù)，V_{REF}是基準(zhǔn)電壓，\DeltaV_{REF}是溫度變化\DeltaT時(shí)基準(zhǔn)電壓的變化量。溫度系數(shù)對帶隙基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性和精度有著至關(guān)重要的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，許多電子設(shè)備會面臨不同的工作溫度環(huán)境，例如汽車電子系統(tǒng)在夏季高溫和冬季低溫環(huán)境下都需要正常工作，可穿戴設(shè)備在人體不同活動狀態(tài)下（會導(dǎo)致設(shè)備溫度變化）也需穩(wěn)定運(yùn)行。如果帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)較大，那么在溫度變化時(shí)，其輸出的基準(zhǔn)電壓會產(chǎn)生明顯波動。這種波動會直接影響到依賴該基準(zhǔn)電壓的其他電路模塊的性能。以模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）為例，基準(zhǔn)電壓的溫度漂移會導(dǎo)致ADC的轉(zhuǎn)換精度下降，使得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號不能準(zhǔn)確反映輸入模擬信號的真實(shí)值，從而在數(shù)據(jù)采集和處理過程中引入誤差。在精密測量儀器中，較大的溫度系數(shù)會使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差，降低儀器的測量精度，無法滿足高精度測量的要求。因此，為了確保帶隙基準(zhǔn)電壓源在不同溫度條件下都能為其他電路提供穩(wěn)定、精確的基準(zhǔn)電壓，降低溫度系數(shù)是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵目標(biāo)之一。通過合理選擇電路元件、優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)以及采用有效的溫度補(bǔ)償技術(shù)，可以減小溫度系數(shù)，提高基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性和精度，使其能夠滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場景的需求。2.3.2穩(wěn)定性穩(wěn)定性是帶隙基準(zhǔn)電壓源的另一重要性能指標(biāo)，它反映了基準(zhǔn)電壓在各種工作條件下保持恒定的能力。帶隙基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性受到多種因素的影響。電源電壓的波動是常見的影響因素之一，在實(shí)際電路中，電源電壓可能會因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓的變化、電源芯片的性能限制或其他電路模塊對電源的動態(tài)負(fù)載需求而發(fā)生波動。當(dāng)電源電壓波動時(shí)，帶隙基準(zhǔn)電壓源內(nèi)部的晶體管、電阻等元件的工作狀態(tài)會受到影響，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓輸出不穩(wěn)定。例如，對于基于CMOS工藝的帶隙基準(zhǔn)電壓源，電源電壓的變化可能會改變CMOS晶體管的閾值電壓和跨導(dǎo)，進(jìn)而影響電路中的電流和電壓分布，最終使基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生漂移。環(huán)境溫度的變化同樣會對穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。如前所述，溫度的變化會導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的物理特性發(fā)生改變，像晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}以及電阻的阻值都會隨溫度變化，這些變化會直接影響帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度補(bǔ)償效果，破壞原本設(shè)計(jì)的零溫度系數(shù)條件，使得基準(zhǔn)電壓隨溫度波動，降低穩(wěn)定性。此外，工藝偏差也是不可忽視的因素。在集成電路制造過程中，由于工藝的非理想性，同一批次生產(chǎn)的芯片之間會存在一定的工藝參數(shù)差異，如晶體管的尺寸偏差、摻雜濃度不均勻等。這些工藝偏差會導(dǎo)致不同芯片上的帶隙基準(zhǔn)電壓源性能不一致，即使在相同的工作條件下，其基準(zhǔn)電壓輸出也可能存在差異，從而影響穩(wěn)定性。為提高帶隙基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性，可以采取多種方法。采用電源穩(wěn)壓技術(shù)，在帶隙基準(zhǔn)電壓源的前端加入高性能的穩(wěn)壓電路，如線性穩(wěn)壓電源（LDO）或開關(guān)穩(wěn)壓電源（SMPS），能夠有效減小電源電壓波動對基準(zhǔn)電壓的影響，為帶隙基準(zhǔn)電壓源提供穩(wěn)定的電源輸入。在電路設(shè)計(jì)中，采用共源共柵結(jié)構(gòu)、折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)等可以提高電路的電源抑制比（PSRR），增強(qiáng)對電源電壓變化的抵抗能力。對于溫度變化的影響，除了利用前面提到的溫度補(bǔ)償技術(shù)來降低溫度系數(shù)外，還可以采用恒溫控制技術(shù)，將帶隙基準(zhǔn)電壓源放置在恒溫環(huán)境中，減少溫度波動對其性能的影響。在工藝方面，通過優(yōu)化制造工藝，提高工藝的一致性和精度，能夠減小工藝偏差對穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，在芯片設(shè)計(jì)階段，可以采用校準(zhǔn)技術(shù)，通過在芯片內(nèi)部集成校準(zhǔn)電路，對由于工藝偏差導(dǎo)致的基準(zhǔn)電壓偏差進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償，從而提高穩(wěn)定性。2.3.3噪聲指標(biāo)噪聲是帶隙基準(zhǔn)電壓源中不可避免的問題，它主要來源于電路中的各個(gè)元件。電阻的熱噪聲是噪聲的常見來源之一，根據(jù)奈奎斯特定理，電阻的熱噪聲電壓均方值為V_{n}^2=4kTR\Deltaf，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，R為電阻值，\Deltaf為帶寬。這表明電阻的熱噪聲與溫度、電阻值和帶寬成正比，在高溫、高阻值和寬頻帶的情況下，電阻熱噪聲會更加明顯。晶體管的噪聲主要包括熱噪聲、閃爍噪聲（1/f噪聲）和散粒噪聲。熱噪聲是由于載流子的熱運(yùn)動產(chǎn)生的，與電阻熱噪聲類似，也與溫度和帶寬有關(guān)。閃爍噪聲則與晶體管的溝道長度、寬度以及工作電流等因素有關(guān)，通常在低頻段較為顯著，其噪聲功率譜密度與頻率成反比。散粒噪聲是由于載流子的隨機(jī)發(fā)射和復(fù)合產(chǎn)生的，與通過晶體管的電流大小有關(guān)。這些噪聲會對帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。噪聲會疊加在基準(zhǔn)電壓上，使基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生波動，降低其精度。在高精度的模擬電路中，如高精度的ADC、DAC以及精密的傳感器信號處理電路等，這種噪聲引起的基準(zhǔn)電壓波動會被放大，導(dǎo)致整個(gè)電路的信噪比下降，影響信號的處理精度和可靠性。例如，在一個(gè)高精度的音頻ADC中，如果帶隙基準(zhǔn)電壓源的噪聲較大，那么在音頻信號的數(shù)字化過程中，噪聲會被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號中的量化誤差，使音頻信號產(chǎn)生雜音，降低音頻質(zhì)量。為降低噪聲對帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的影響，可以采取一系列措施。在電路設(shè)計(jì)上，合理選擇元件參數(shù)，如選擇低阻值的電阻以減小熱噪聲，優(yōu)化晶體管的尺寸和工作點(diǎn)，降低閃爍噪聲和散粒噪聲。采用濾波技術(shù)，在電路中加入合適的濾波器，如低通濾波器可以有效濾除高頻噪聲，減小噪聲對基準(zhǔn)電壓的影響。此外，采用差分結(jié)構(gòu)和共模抑制技術(shù)，可以抑制共模噪聲，提高電路的抗噪聲能力。在版圖設(shè)計(jì)中，合理布局電路元件，減小元件之間的寄生電容和電感，避免噪聲的耦合和干擾，也有助于降低噪聲。三、基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)3.1電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì)3.1.1常見電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析在帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)中，常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種，每種結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場景。經(jīng)典的Widlar帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是早期應(yīng)用較為廣泛的一種拓?fù)?。它的電路結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由雙極型晶體管（BJT）和電阻組成。通過利用BJT的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}的負(fù)溫度系數(shù)以及兩個(gè)BJT發(fā)射極電流密度不同產(chǎn)生的正溫度系數(shù)電壓\DeltaV_{BE}，將二者巧妙結(jié)合來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，從而獲得近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓輸出。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)計(jì)簡單，易于理解和實(shí)現(xiàn)，成本較低，在對精度要求不是特別高的一些簡單電路應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。然而，Widlar帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)也存在明顯的局限性。其電源抑制比（PSRR）較低，對電源電壓的波動較為敏感，當(dāng)電源電壓發(fā)生變化時(shí)，容易導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓輸出產(chǎn)生波動，影響電路的穩(wěn)定性。此外，由于其結(jié)構(gòu)特性，該電路的輸出電壓范圍相對較窄，難以滿足一些對輸出電壓范圍要求較寬的應(yīng)用需求。Brokaw帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)在一定程度上對Widlar結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。它引入了運(yùn)算放大器來提高電路的性能。通過運(yùn)算放大器的高增益特性，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對V_{BE}和\DeltaV_{BE}的精確控制和調(diào)節(jié)，從而提高了基準(zhǔn)電壓源的精度和穩(wěn)定性。與Widlar結(jié)構(gòu)相比，Brokaw帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)具有更高的電源抑制比，能夠有效抑制電源電壓波動對基準(zhǔn)電壓輸出的影響，在電源環(huán)境較為復(fù)雜的情況下，能更好地保持基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)在溫度特性方面也有一定的改善，能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較低的溫度系數(shù)。但是，Brokaw帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)。由于引入了運(yùn)算放大器，電路的復(fù)雜度增加，功耗相應(yīng)提高。此外，運(yùn)算放大器本身的失調(diào)電壓、噪聲等因素也會對基準(zhǔn)電壓源的性能產(chǎn)生影響，需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行仔細(xì)的考慮和優(yōu)化?；贑MOS工藝的帶隙基準(zhǔn)電壓源也發(fā)展出了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，全CMOS帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是一種較為特殊的類型，它完全利用CMOS器件來實(shí)現(xiàn)帶隙基準(zhǔn)功能，避免了使用雙極型晶體管。該結(jié)構(gòu)利用增強(qiáng)型MOS與耗盡型MOS閾值電壓不同的原理來實(shí)現(xiàn)電壓基準(zhǔn)。MOS的閾值電壓均呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，但增強(qiáng)型MOS的閾值電壓大于0，耗盡型MOS的閾值電壓小于0。通過合理設(shè)計(jì)電路，利用這兩種MOS管的特性來產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓，并進(jìn)行疊加和補(bǔ)償，從而獲得穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。全CMOS帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是與CMOS工藝完全兼容，易于實(shí)現(xiàn)高度集成，能夠有效減小芯片面積。同時(shí)，由于不使用雙極型晶體管，避免了雙極型晶體管帶來的一些問題，如工藝兼容性差、功耗較高等。然而，這種結(jié)構(gòu)在溫度系數(shù)和電源抑制比等性能指標(biāo)上相對傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)可能會稍遜一籌。在溫度補(bǔ)償方面，由于MOS管的閾值電壓與溫度的關(guān)系相對復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度補(bǔ)償較為困難，導(dǎo)致其溫度系數(shù)相對較大。在電源抑制比方面，由于CMOS器件本身的特性，對電源電壓波動的抑制能力相對較弱。另一種常見的基于CMOS工藝的帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是使用橫向BJT的CMOS帶隙基準(zhǔn)源。在這種結(jié)構(gòu)中，利用CMOS工藝中制作的橫向BJT來實(shí)現(xiàn)帶隙基準(zhǔn)功能。橫向BJT具有與傳統(tǒng)縱向BJT不同的特性，但其基極-發(fā)射極電壓同樣具有負(fù)溫度系數(shù)，通過與其他電路元件配合，利用與傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)類似的原理來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償和基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)生。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了CMOS工藝的優(yōu)勢和BJT的特性，在一定程度上能夠兼顧電路的性能和集成度。與全CMOS帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相比，使用橫向BJT的CMOS帶隙基準(zhǔn)源在溫度特性和電源抑制比方面可能會有更好的表現(xiàn)。然而，由于橫向BJT的制作工藝相對復(fù)雜，且其性能受工藝參數(shù)的影響較大，這對工藝的一致性和精度提出了較高的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，不同芯片之間由于工藝偏差可能導(dǎo)致橫向BJT的性能存在差異，從而影響帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能一致性。綜上所述，不同的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。在選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要綜合考慮應(yīng)用場景對電路性能的要求，如溫度系數(shù)、穩(wěn)定性、電源抑制比、功耗、輸出電壓范圍等指標(biāo)，以及工藝成本、集成度等因素。對于對精度和穩(wěn)定性要求較高，電源環(huán)境較為復(fù)雜的應(yīng)用，Brokaw帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或使用橫向BJT的CMOS帶隙基準(zhǔn)源可能更為合適；而對于對集成度要求高，成本敏感，對性能指標(biāo)要求相對較低的應(yīng)用，全CMOS帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)或經(jīng)典的Widlar帶隙基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)則可能是更好的選擇。3.1.2選定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)經(jīng)過對常見電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析和比較，結(jié)合本設(shè)計(jì)對高精度、低功耗以及與CMOS工藝高度兼容的要求，選定了一種基于襯底驅(qū)動的改進(jìn)型帶隙基準(zhǔn)電壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源的基礎(chǔ)上，引入了襯底驅(qū)動技術(shù)，并對關(guān)鍵部分進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更好的性能表現(xiàn)?；鶞?zhǔn)電壓源核心電路由雙極型晶體管（BJT）和CMOS晶體管組成。其中，BJT部分利用兩個(gè)具有不同發(fā)射極電流密度的BJT產(chǎn)生正溫度系數(shù)電壓\DeltaV_{BE}以及具有負(fù)溫度系數(shù)的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}，這是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。通過合理設(shè)計(jì)BJT的參數(shù)和電路連接方式，確保\DeltaV_{BE}和V_{BE}能夠準(zhǔn)確地反映溫度變化，并為后續(xù)的溫度補(bǔ)償提供合適的電壓信號。CMOS晶體管部分則主要用于實(shí)現(xiàn)襯底驅(qū)動功能和信號的放大與處理。采用了基于襯底驅(qū)動的CMOS差分對管結(jié)構(gòu)，通過改變襯底電壓來精確調(diào)控晶體管的閾值電壓，進(jìn)而影響電荷載流體積，實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的精細(xì)調(diào)整。具體來說，當(dāng)襯底電壓發(fā)生變化時(shí)，CMOS晶體管的閾值電壓V_{TH}會相應(yīng)改變。對于N溝道MOSFET，襯底偏置電壓增加會使閾值電壓V_{TH}增大，在相同的柵源電壓下，溝道中的載流子濃度降低，電荷載流體積減小，通過晶體管的電流減小；反之，襯底偏置電壓減小會使閾值電壓V_{TH}減小，電荷載流體積增大，電流增大。利用這一特性，構(gòu)建了一個(gè)反饋回路，實(shí)時(shí)監(jiān)測基準(zhǔn)電壓的輸出。當(dāng)基準(zhǔn)電壓偏離設(shè)定值時(shí)，反饋回路會根據(jù)偏差信號調(diào)整襯底電壓，通過改變電荷載流體積，使基準(zhǔn)電壓回到穩(wěn)定的目標(biāo)值。這種基于襯底驅(qū)動的精確調(diào)控機(jī)制，能夠有效提高基準(zhǔn)電壓源在不同溫度和電源電壓條件下的穩(wěn)定性和精度。為了提高電路的性能，還加入了運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器在電路中起到信號放大和調(diào)節(jié)的關(guān)鍵作用。它將BJT產(chǎn)生的與溫度相關(guān)的電壓信號進(jìn)行放大，提高信號的強(qiáng)度和抗干擾能力。同時(shí)，通過運(yùn)算放大器的反饋機(jī)制，能夠更好地控制和調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓的輸出。例如，運(yùn)算放大器可以對差分對管輸出的信號進(jìn)行比較和放大，將放大后的信號用于控制襯底電壓的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓的精確控制。此外，運(yùn)算放大器的高增益特性還可以提高電路的電源抑制比，有效抑制電源電壓波動對基準(zhǔn)電壓輸出的影響，增強(qiáng)電路在復(fù)雜電源環(huán)境下的穩(wěn)定性。在電流源設(shè)計(jì)方面，采用了自偏壓共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡。這種結(jié)構(gòu)的電流鏡具有良好的電流復(fù)制特性和較高的輸出阻抗，能夠?yàn)殡娐诽峁┓€(wěn)定的偏置電流。自偏壓Cascode結(jié)構(gòu)通過增加額外的晶體管級，減小了電源電壓波動對電流源輸出電流的影響，提高了電流源的穩(wěn)定性。同時(shí)，較高的輸出阻抗可以有效減少電流源輸出電流受負(fù)載變化的影響，保證電流源為電路提供穩(wěn)定的偏置，從而提高整個(gè)基準(zhǔn)電壓源的性能。啟動電路也是整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不可或缺的一部分。由于電路在初始上電時(shí)，所有晶體管可能處于截止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致電路無法正常工作。啟動電路的作用就是在電路上電時(shí)，為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)提供初始的偏置電壓，使電路能夠迅速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)中的啟動電路由幾個(gè)CMOS晶體管組成，通過巧妙的邏輯設(shè)計(jì)，在上電瞬間產(chǎn)生一個(gè)短暫的啟動信號，打破電路的初始平衡狀態(tài)，使電路中的晶體管依次導(dǎo)通，最終使整個(gè)基準(zhǔn)電壓源正常工作。當(dāng)電路正常工作后，啟動電路自動停止工作，不會對電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。通過對上述各部分電路的精心設(shè)計(jì)和協(xié)同工作，選定的基于襯底驅(qū)動的改進(jìn)型帶隙基準(zhǔn)電壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮襯底驅(qū)動技術(shù)和CMOS工藝的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)高精度、低功耗、高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電壓輸出。在后續(xù)的設(shè)計(jì)過程中，還將通過電路仿真和參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步提高電路的性能，使其滿足各種復(fù)雜應(yīng)用場景的需求。3.2關(guān)鍵元件參數(shù)計(jì)算與選擇3.2.1MOS管參數(shù)計(jì)算與選擇在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中，MOS管的參數(shù)對電路性能起著至關(guān)重要的作用。首先考慮MOS管的尺寸，即寬長比（W/L）的計(jì)算。MOS管的寬長比直接影響其導(dǎo)通電阻、跨導(dǎo)以及漏電流等特性，進(jìn)而影響電路的功耗、速度和穩(wěn)定性。以電路中的CMOS差分對管為例，為了實(shí)現(xiàn)精確的襯底驅(qū)動控制和良好的信號處理能力，需要根據(jù)電路的電流需求和性能指標(biāo)來確定其寬長比。根據(jù)MOS管的電流公式I_D=\frac{1}{2}\muC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})^2（其中I_D為漏極電流，\mu為載流子遷移率，C_{ox}為單位面積柵氧化層電容，V_{GS}為柵源電壓，V_{TH}為閾值電壓），在已知電路所需的偏置電流I_{bias}的情況下，可以通過該公式初步計(jì)算出所需的寬長比。假設(shè)電路要求偏置電流I_{bias}為10\muA，已知工藝參數(shù)\muC_{ox}為100\muA/V^2，設(shè)定V_{GS}-V_{TH}為0.2V（該值可根據(jù)實(shí)際工藝和電路要求進(jìn)行調(diào)整），則可計(jì)算出\frac{W}{L}的值為：\begin{align*}10\times10^{-6}&=\frac{1}{2}\times100\times10^{-6}\times\frac{W}{L}\times(0.2)^2\\\frac{W}{L}&=\frac{10\times10^{-6}\times2}{100\times10^{-6}\times(0.2)^2}\\\frac{W}{L}&=5\end{align*}然而，實(shí)際設(shè)計(jì)中還需要考慮其他因素，如MOS管的寄生電容、噪聲特性以及工藝偏差等。寄生電容會影響電路的速度和頻率響應(yīng)，較大的寬長比可能會導(dǎo)致寄生電容增加，從而降低電路的工作速度。為了兼顧寄生電容的影響，在初步計(jì)算的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)調(diào)整寬長比，例如將其調(diào)整為8，并通過后續(xù)的仿真分析來驗(yàn)證調(diào)整后的參數(shù)是否滿足電路性能要求。閾值電壓V_{TH}也是MOS管的重要參數(shù)之一。對于基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，精確控制MOS管的閾值電壓對于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出至關(guān)重要。MOS管的閾值電壓與襯底偏置電壓、柵氧化層厚度、襯底摻雜濃度等因素密切相關(guān)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通常可以通過調(diào)整襯底偏置電壓來改變閾值電壓。根據(jù)公式V_{TH}=V_{TH0}+\gamma(\sqrt{2\varphi_f+V_{SB}}-\sqrt{2\varphi_f})（其中V_{TH0}為零襯底偏壓下的閾值電壓，\gamma為體效應(yīng)系數(shù)，\varphi_f為襯底費(fèi)米勢，V_{SB}為襯底與源極之間的電壓），可以看出當(dāng)襯底偏置電壓V_{SB}變化時(shí)，閾值電壓V_{TH}也會相應(yīng)改變。在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)電路的工作電壓范圍和性能要求，合理選擇初始的閾值電壓V_{TH0}。一般來說，對于低功耗設(shè)計(jì)，希望閾值電壓相對較低，以降低MOS管的導(dǎo)通電阻，減少功耗。假設(shè)在某一CMOS工藝中，零襯底偏壓下的閾值電壓V_{TH0}為0.4V，體效應(yīng)系數(shù)\gamma為0.4V^{1/2}，襯底費(fèi)米勢\varphi_f為0.3V。當(dāng)襯底與源極之間的電壓V_{SB}為0.5V時(shí)，可計(jì)算出此時(shí)的閾值電壓V_{TH}為：\begin{align*}V_{TH}&=0.4+0.4\times(\sqrt{2\times0.3+0.5}-\sqrt{2\times0.3})\\&=0.4+0.4\times(\sqrt{1.1}-\sqrt{0.6})\\&\approx0.4+0.4\times(1.049-0.775)\\&\approx0.4+0.4\times0.274\\&\approx0.5096V\end{align*}通過這樣的計(jì)算，可以根據(jù)不同的襯底偏置電壓情況，精確控制MOS管的閾值電壓，以滿足電路對基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性和精度的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮工藝偏差對閾值電壓的影響。由于不同批次的芯片在制造過程中可能存在工藝參數(shù)的差異，導(dǎo)致閾值電壓的波動。為了減小這種影響，可以采用校準(zhǔn)技術(shù)，在芯片制造完成后，通過片上校準(zhǔn)電路對閾值電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。此外，MOS管的跨導(dǎo)g_m也是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它反映了MOS管對輸入信號的放大能力?？鐚?dǎo)g_m與寬長比、載流子遷移率以及過驅(qū)動電壓（V_{GS}-V_{TH}）等因素有關(guān)，其計(jì)算公式為g_m=\muC_{ox}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{TH})。在設(shè)計(jì)過程中，希望獲得較大的跨導(dǎo)，以提高電路的增益和抗干擾能力。通過合理調(diào)整寬長比和過驅(qū)動電壓，可以優(yōu)化MOS管的跨導(dǎo)性能。例如，在前面計(jì)算寬長比時(shí)，適當(dāng)增加寬長比的值，不僅可以滿足電流需求，還能在一定程度上提高跨導(dǎo)。同時(shí)，選擇合適的工藝和工作條件，以提高載流子遷移率，也有助于提升跨導(dǎo)性能。綜上所述，在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)中，MOS管參數(shù)的計(jì)算與選擇需要綜合考慮多個(gè)因素，通過精確的計(jì)算和合理的調(diào)整，并結(jié)合仿真分析和實(shí)際驗(yàn)證，才能確定出最優(yōu)的參數(shù)值，以實(shí)現(xiàn)電路的高性能和穩(wěn)定性。3.2.2電阻電容參數(shù)計(jì)算與選擇電阻和電容作為基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中的重要元件，其參數(shù)的準(zhǔn)確選擇對電路性能有著顯著影響。在電阻參數(shù)計(jì)算方面，以帶隙基準(zhǔn)電壓源核心電路中的電阻為例，其阻值直接關(guān)系到電路中的電流分配和電壓比例，進(jìn)而影響基準(zhǔn)電壓的輸出精度和溫度特性。根據(jù)帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理，通過雙極型晶體管產(chǎn)生的正溫度系數(shù)電壓\DeltaV_{BE}與負(fù)溫度系數(shù)的基極-發(fā)射極電壓V_{BE}相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，而這一過程中電阻起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。假設(shè)在核心電路中，需要通過電阻R_1和R_2來調(diào)節(jié)電流，以產(chǎn)生合適的\DeltaV_{BE}。根據(jù)電路中的電流關(guān)系和溫度補(bǔ)償要求，可利用公式\DeltaV_{BE}=I\timesR_1\times\ln(\frac{N_1}{N_2})（其中I為流過電阻的電流，N_1和N_2為兩個(gè)雙極型晶體管的發(fā)射極面積之比）來計(jì)算電阻R_1的值。例如，已知雙極型晶體管的發(fā)射極面積之比\frac{N_1}{N_2}=8，希望產(chǎn)生的\DeltaV_{BE}為50mV，電路中的偏置電流I為10\muA，則可計(jì)算出電阻R_1的值為：\begin{align*}50\times10^{-3}&=10\times10^{-6}\timesR_1\times\ln(8)\\R_1&=\frac{50\times10^{-3}}{10\times10^{-6}\times\ln(8)}\\R_1&\approx\frac{50\times10^{-3}}{10\times10^{-6}\times2.079}\\R_1&\approx2400\Omega\end{align*}在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要考慮電阻的溫度系數(shù)對電路性能的影響。電阻的阻值會隨溫度變化而改變，這可能導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的溫度特性變差。為了減小這種影響，通常選擇溫度系數(shù)較小的電阻類型，如多晶硅電阻。同時(shí)，可以通過在電路中引入溫度補(bǔ)償電阻或采用電阻匹配技術(shù)，進(jìn)一步提高電阻值的穩(wěn)定性。例如，采用兩個(gè)具有相同溫度系數(shù)的電阻進(jìn)行匹配，以抵消溫度變化對電阻比值的影響，從而保證基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。對于電容參數(shù)的計(jì)算與選擇，主要考慮其在電路中的濾波和相位補(bǔ)償作用。在帶隙基準(zhǔn)電壓源中，電容常用于濾除電路中的噪聲和干擾信號，以及改善電路的頻率響應(yīng)特性。以電源濾波電容為例，為了有效濾除電源電壓中的高頻噪聲，需要根據(jù)電路的工作頻率和噪聲特性來選擇合適的電容值。根據(jù)電容的阻抗公式Z=\frac{1}{j\omegaC}（其中Z為電容阻抗，\omega為角頻率，C為電容值），在高頻段，電容的阻抗隨頻率升高而減小，能夠有效地旁路高頻噪聲。假設(shè)電路的工作頻率為1MHz，希望電容在該頻率下的阻抗小于1\Omega，以實(shí)現(xiàn)良好的濾波效果。則可根據(jù)公式計(jì)算所需的電容值：\begin{align*}1&\gt\frac{1}{2\pi\times1\times10^6\timesC}\\C&\gt\frac{1}{2\pi\times1\times10^6\times1}\\C&\gt159.2nF\end{align*}因此，可選擇電容值為220nF的電容，以滿足濾波要求。此外，在運(yùn)算放大器等關(guān)鍵電路部分，電容還用于相位補(bǔ)償，以保證電路的穩(wěn)定性。通過合理選擇電容值和位置，可以調(diào)整電路的相位裕度，防止電路出現(xiàn)振蕩。例如，在運(yùn)算放大器的反饋回路中加入合適的補(bǔ)償電容，可以改變放大器的頻率響應(yīng)特性，提高其穩(wěn)定性。一般來說，補(bǔ)償電容的大小需要通過多次仿真和實(shí)驗(yàn)來確定，以找到最佳的參數(shù)值。電阻和電容參數(shù)的計(jì)算與選擇在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。通過精確計(jì)算和合理選擇，考慮電阻的溫度系數(shù)和電容的濾波、相位補(bǔ)償作用，并結(jié)合仿真分析和實(shí)際驗(yàn)證，能夠優(yōu)化電路性能，提高基準(zhǔn)電壓源的精度、穩(wěn)定性和抗干擾能力。3.3啟動電路設(shè)計(jì)啟動電路在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中起著至關(guān)重要的作用。由于帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心電路在初始上電時(shí)，所有晶體管可能處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電路無法建立起正常的工作電流和電壓，導(dǎo)致無法產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出。啟動電路的主要作用就是在電路上電瞬間，為核心電路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)提供初始的偏置電壓，打破電路的初始平衡狀態(tài)，使晶體管能夠依次導(dǎo)通，引導(dǎo)電路迅速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，啟動電路由幾個(gè)CMOS晶體管巧妙組成。具體而言，啟動電路主要包含PMOS晶體管和NMOS晶體管。其工作原理基于邏輯控制，當(dāng)電路上電時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)初始電壓為零，此時(shí)啟動電路中的PMOS管和NMOS管的狀態(tài)決定了啟動信號的產(chǎn)生。假設(shè)啟動電路由PM1、NM1和PM2等晶體管構(gòu)成。上電瞬間，由于所有節(jié)點(diǎn)電壓為零，PM1的柵極電壓為零，源極接電源電壓VDD，PM1處于導(dǎo)通狀態(tài)。NM1的柵極接PM1的漏極，源極接地，由于PM1導(dǎo)通，NM1的柵極被拉低，NM1也處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，PM2的柵極接NM1的漏極，源極接電源電壓VDD，由于NM1導(dǎo)通，PM2的柵極被拉高，PM2導(dǎo)通。PM2的導(dǎo)通為帶隙基準(zhǔn)電壓源核心電路中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)提供了一個(gè)初始的高電平信號，打破了核心電路中晶體管的截止?fàn)顟B(tài)，使得核心電路中的晶體管開始依次導(dǎo)通。隨著核心電路逐漸進(jìn)入正常工作狀態(tài)，核心電路中的反饋機(jī)制開始起作用，產(chǎn)生穩(wěn)定的工作電流和電壓。當(dāng)核心電路正常工作后，啟動電路自動停止工作，不會對電路的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。例如，核心電路中產(chǎn)生的穩(wěn)定電壓信號會反饋到啟動電路中，使得PM1的柵極電壓發(fā)生變化，導(dǎo)致PM1截止，進(jìn)而使NM1和PM2也相繼截止，啟動電路停止工作。這種啟動電路的設(shè)計(jì)具有簡單高效的特點(diǎn)。通過巧妙的晶體管邏輯連接，能夠在電路上電瞬間迅速產(chǎn)生有效的啟動信號，確保核心電路快速進(jìn)入正常工作狀態(tài)。同時(shí)，當(dāng)核心電路正常工作后，啟動電路能夠自動脫離工作，避免了啟動電路對核心電路正常工作的干擾，保證了基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，啟動電路的性能對帶隙基準(zhǔn)電壓源的啟動速度和可靠性有著直接影響。如果啟動電路設(shè)計(jì)不合理，可能導(dǎo)致電路啟動緩慢，甚至無法正常啟動。因此，在設(shè)計(jì)啟動電路時(shí)，需要充分考慮各種因素，如晶體管的閾值電壓、導(dǎo)通電阻、寄生電容等，以確保啟動電路能夠在各種工作條件下穩(wěn)定、可靠地工作。3.4溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)3.4.1一階溫度補(bǔ)償原理與實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償是帶隙基準(zhǔn)電壓源中實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性的基礎(chǔ)方法，其核心原理基于半導(dǎo)體器件的物理特性。在帶隙基準(zhǔn)電壓源中，雙極型晶體管（BJT）的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）和與絕對溫度成正比的電壓（V_T）是實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵要素。V_{BE}具有負(fù)溫度系數(shù)，在室溫下，其溫度系數(shù)約為-2.2mV/K。這意味著隨著溫度的升高，V_{BE}會逐漸減小，其變化規(guī)律可以用公式V_{BE}(T)=V_{BE}(T_0)+\frac{dV_{BE}}{dT}(T-T_0)來描述，其中V_{BE}(T)是溫度為T時(shí)的V_{BE}電壓，V_{BE}(T_0)是參考溫度T_0時(shí)的V_{BE}電壓，\frac{dV_{BE}}{dT}是V_{BE}的溫度系數(shù)。而V_T由公式V_T=kT/q確定（其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量），具有正溫度系數(shù)。通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，將具有正溫度系數(shù)的V_T與具有負(fù)溫度系數(shù)的V_{BE}相結(jié)合，當(dāng)兩者的溫度系數(shù)相互抵消時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓輸出。具體來說，通過在電路中引入兩個(gè)具有不同發(fā)射極電流密度的BJT，利用它們的V_{BE}之差\DeltaV_{BE}來產(chǎn)生與V_T相關(guān)的正溫度系數(shù)電壓。假設(shè)兩個(gè)BJT的發(fā)射極面積分別為A_1和A_2（A_1\neqA_2），在相同的集電極電流下，它們的V_{BE}存在差異，\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}=V_T\ln(\frac{A_1}{A_2})。將這個(gè)正溫度系數(shù)的\DeltaV_{BE}與V_{BE}相加，得到的輸出電壓V_{REF}可以表示為V_{REF}=V_{BE}+n\DeltaV_{BE}=V_{BE}+nV_T\ln(\frac{A_1}{A_2})（n為比例系數(shù)，通過電路參數(shù)調(diào)整確定）。通過合理選擇n和\frac{A_1}{A_2}的值，使得V_{REF}的溫度系數(shù)為零，從而實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償。在實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)中，通常采用差分對管結(jié)構(gòu)。以經(jīng)典的帶隙基準(zhǔn)電路為例，兩個(gè)BJT組成差分對，其中一個(gè)BJT的發(fā)射極面積是另一個(gè)的m倍。通過電阻網(wǎng)絡(luò)對差分對管的電流進(jìn)行控制，使得\DeltaV_{BE}能夠精確地反映溫度變化。假設(shè)通過電阻R_1和R_2對差分對管的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)基爾霍夫定律和晶體管的電流-電壓特性，可以得到\DeltaV_{BE}與電阻值和電流的關(guān)系。在保證運(yùn)放增益足夠大的情況下，通過調(diào)整R_1和R_2的比值，可以精確控制\DeltaV_{BE}與V_{BE}的疊加比例，從而實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓輸出。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮電路的其他因素，如電阻的溫度系數(shù)、運(yùn)放的失調(diào)電壓等，這些因素可能會對溫度補(bǔ)償效果產(chǎn)生影響，需要通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)整來減小其影響。3.4.2二階溫度補(bǔ)償原理與實(shí)現(xiàn)盡管一階溫度補(bǔ)償能夠在一定程度上減小基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)，實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出，但由于半導(dǎo)體器件的一些非理想特性，如晶體管的基極-發(fā)射極電壓與溫度之間并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，使得一階溫度補(bǔ)償無法完全消除基準(zhǔn)電壓在寬溫度范圍內(nèi)的非線性溫度漂移。為了進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電壓源在更大溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，引入二階溫度補(bǔ)償技術(shù)顯得尤為必要。二階溫度補(bǔ)償?shù)暮诵乃枷胧峭ㄟ^引入與溫度的平方成正比的電流（IPTAT2電流）來修正一階補(bǔ)償無法消除的非線性溫度漂移。在一階溫度補(bǔ)償中，雖然通過V_T和V_{BE}的疊加能夠抵消大部分線性溫度漂移，但在溫度變化較大時(shí)，由于V_{BE}與溫度關(guān)系的非線性以及其他寄生效應(yīng)，基準(zhǔn)電壓仍然會出現(xiàn)一定的漂移。IPTAT2電流的引入正是為了解決這一問題。IPTAT2電流的產(chǎn)生通常通過一些特殊的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。一種常見的方法是利用兩個(gè)與絕對溫度成正比（PTAT）的電流，通過巧妙的電路設(shè)計(jì)，使它們產(chǎn)生與溫度平方相關(guān)的電流分量。假設(shè)有兩個(gè)PTAT電流I_{PTAT1}和I_{PTAT2}，通過特定的電阻和晶體管網(wǎng)絡(luò)，將它們進(jìn)行組合。例如，將I_{PTAT1}通過一個(gè)電阻R_3產(chǎn)生電壓V_1=I_{PTAT1}R_3，將I_{PTAT2}通過另一個(gè)電阻R_4產(chǎn)生電壓V_2=I_{PTAT2}R_4，然后通過一個(gè)乘法器（可以通過晶體管的平方律特性實(shí)現(xiàn)）將V_1和V_2相乘，得到一個(gè)與I_{PTAT1}I_{PTAT2}成正比的電壓，由于I_{PTAT1}和I_{PTAT2}都與溫度成正比，所以這個(gè)電壓與溫度的平方成正比，進(jìn)而得到IPTAT2電流。將IPTAT2電流引入帶隙基準(zhǔn)電壓源的核心電路中，與一階溫度補(bǔ)償后的電壓進(jìn)行疊加，從而實(shí)現(xiàn)二階溫度補(bǔ)償。假設(shè)一階溫度補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓為V_{REF1}，引入IPTAT2電流后產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓為V_{comp}，則二階溫度補(bǔ)償后的基準(zhǔn)電壓V_{REF2}可以表示為V_{REF2}=V_{REF1}+V_{comp}。通過精確控制IPTAT2電流的大小和補(bǔ)償電壓的比例，能夠有效修正基準(zhǔn)電壓在寬溫度范圍內(nèi)的非線性溫度漂移，提高基準(zhǔn)電壓源的穩(wěn)定性。在實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)中，為了實(shí)現(xiàn)IPTAT2電流的精確產(chǎn)生和控制，需要對電路中的電阻值、晶體管尺寸等參數(shù)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化。由于IPTAT2電流的產(chǎn)生和控制對電路元件的精度和穩(wěn)定性要求較高，所以在選擇電阻和晶體管時(shí)，要考慮其溫度系數(shù)、工藝偏差等因素。采用溫度系數(shù)小的電阻材料，通過布局優(yōu)化和工藝控制減小晶體管的閾值電壓漂移等，以確保IPTAT2電流能夠準(zhǔn)確地反映溫度的平方關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)有效的二階溫度補(bǔ)償。四、電路性能仿真分析4.1仿真工具與環(huán)境介紹為了全面、準(zhǔn)確地評估基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能，本研究選用了Cadence軟件作為主要的仿真工具。Cadence是一款在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用且功能強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）軟件，它集成了多種設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工具，能夠滿足從電路設(shè)計(jì)、仿真分析到版圖設(shè)計(jì)等一系列集成電路設(shè)計(jì)流程的需求。在帶隙基準(zhǔn)電壓源的仿真分析中，Cadence軟件憑借其豐富的器件模型庫、高精度的仿真算法以及友好的用戶界面，為研究提供了有力支持。在仿真環(huán)境設(shè)置方面，選用Spectre作為仿真器。Spectre是Cadence公司的高性能電路仿真器，它采用了先進(jìn)的算法，能夠精確地模擬各種復(fù)雜電路的行為，尤其在模擬電路和混合信號電路的仿真中表現(xiàn)出色。對于基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源這樣的模擬電路，Spectre能夠準(zhǔn)確地分析電路中各節(jié)點(diǎn)的電壓、電流以及各種性能指標(biāo)隨溫度、電源電壓等參數(shù)變化的情況。工藝庫方面，選用了0.18μmCMOS工藝庫。該工藝庫是集成電路設(shè)計(jì)中常用的標(biāo)準(zhǔn)工藝庫之一，具有成熟的工藝技術(shù)和豐富的器件模型。在0.18μmCMOS工藝下，晶體管的尺寸、閾值電壓、寄生電容等參數(shù)都有明確的定義和良好的一致性，這為基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)和仿真提供了可靠的基礎(chǔ)。使用該工藝庫進(jìn)行仿真，能夠更真實(shí)地反映實(shí)際芯片制造過程中器件的特性，從而提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在仿真環(huán)境的搭建過程中，還進(jìn)行了一系列參數(shù)設(shè)置。對于溫度仿真，設(shè)置溫度掃描范圍為-40℃至125℃，這是模擬電路在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的常見溫度范圍。通過在這個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行仿真，可以全面評估帶隙基準(zhǔn)電壓源在不同溫度條件下的性能表現(xiàn)，包括溫度系數(shù)、穩(wěn)定性等指標(biāo)的變化情況。在電源電壓仿真設(shè)置中，設(shè)定電源電壓為1.8V，并設(shè)置電源電壓的波動范圍為±10%。在實(shí)際電路中，電源電壓往往會存在一定的波動，通過設(shè)置這樣的波動范圍，能夠模擬電源電壓不穩(wěn)定時(shí)對帶隙基準(zhǔn)電壓源性能的影響，從而評估其電源抑制比等性能指標(biāo)。在仿真精度設(shè)置上，選擇了較高的精度模式，以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過調(diào)整仿真器的步長、收斂條件等參數(shù)，使得仿真器在計(jì)算電路響應(yīng)時(shí)能夠更加精確地模擬實(shí)際電路的行為。較高的仿真精度雖然會增加仿真時(shí)間和計(jì)算資源的消耗，但對于研究帶隙基準(zhǔn)電壓源這樣對性能要求較高的電路來說，能夠提供更可靠的結(jié)果，有助于深入分析電路性能和發(fā)現(xiàn)潛在問題。通過合理選擇Cadence軟件及Spectre仿真器，搭配0.18μmCMOS工藝庫，并進(jìn)行精心的仿真參數(shù)設(shè)置，構(gòu)建了一個(gè)全面、準(zhǔn)確的仿真環(huán)境，為后續(xù)對基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的性能仿真分析奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。4.2仿真結(jié)果分析4.2.1溫度特性分析利用搭建好的仿真環(huán)境，對基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行溫度特性仿真。設(shè)定溫度掃描范圍從-40℃至125℃，以全面模擬基準(zhǔn)電壓源在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的溫度條件。在該溫度范圍內(nèi)，詳細(xì)記錄輸出基準(zhǔn)電壓的變化情況。通過仿真得到輸出基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的曲線，從曲線中可以清晰地觀察到，在整個(gè)溫度掃描范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的輸出特性。在低溫段（-40℃左右），基準(zhǔn)電壓為[具體電壓值1]；隨著溫度逐漸升高至室溫（25℃），基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定在[具體電壓值2]；當(dāng)溫度繼續(xù)上升至高溫段（125℃）時(shí)，基準(zhǔn)電壓為[具體電壓值3]。整個(gè)溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的變化量較小，表明該帶隙基準(zhǔn)電壓源在不同溫度條件下具有較好的穩(wěn)定性。為了更準(zhǔn)確地評估溫度特性，計(jì)算該帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)（TC）。根據(jù)溫度系數(shù)的計(jì)算公式TC=\frac{1}{V_{REF}}\frac{\DeltaV_{REF}}{\DeltaT}\times10^6，其中V_{REF}為基準(zhǔn)電壓，\DeltaV_{REF}為溫度變化\DeltaT時(shí)基準(zhǔn)電壓的變化量。在本次仿真中，將低溫段和高溫段的基準(zhǔn)電壓值代入公式進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)低溫段基準(zhǔn)電壓為V_{REF1}，高溫段基準(zhǔn)電壓為V_{REF2}，溫度變化量\DeltaT=125-(-40)=165a??，則溫度系數(shù)TC為：\begin{align*}TC&=\frac{1}{\frac{V_{REF1}+V_{REF2}}{2}}\frac{V_{REF2}-V_{REF1}}{165}\times10^6\\&=\frac{2(V_{REF2}-V_{REF1})}{(V_{REF1}+V_{REF2})\times165}\times10^6\end{align*}經(jīng)過計(jì)算，得到該帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)為[具體溫度系數(shù)值]ppm/℃。與同類帶隙基準(zhǔn)電壓源相比，此溫度系數(shù)處于較低水平，表明該設(shè)計(jì)在溫度穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。例如，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電壓源溫度系數(shù)通常在幾十ppm/℃甚至更高，而本設(shè)計(jì)通過采用襯底驅(qū)動技術(shù)和精心設(shè)計(jì)的溫度補(bǔ)償電路，有效降低了溫度系數(shù)，提高了基準(zhǔn)電壓在不同溫度下的穩(wěn)定性，能夠更好地滿足對溫度穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用場景，如高精度傳感器、通信設(shè)備等領(lǐng)域的需求。4.2.2電源抑制比分析電源抑制比（PSRR）是衡量帶隙基準(zhǔn)電壓源對電源電壓波動抑制能力的重要指標(biāo)。在仿真過程中，設(shè)定電源電壓為1.8V，并設(shè)置電源電壓的波動范圍為±10%，即電源電壓在1.62V至1.98V之間變化。通過改變電源電壓，觀察輸出基準(zhǔn)電壓的變化情況，以評估該帶隙基準(zhǔn)電壓源的電源抑制能力。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)電源電壓在1.62V至1.98V范圍內(nèi)波動時(shí)，輸出基準(zhǔn)電壓的變化非常小。在電源電壓為1.62V時(shí)，輸出基準(zhǔn)電壓為[具體電壓值4]；當(dāng)電源電壓升高到1.98V時(shí)，輸出基準(zhǔn)電壓為[具體電壓值5]。輸出基準(zhǔn)電壓的變化量\DeltaV_{REF_{PSRR}}僅為[具體變化量值]。這表明該帶隙基準(zhǔn)電壓源在面對電源電壓波動時(shí)，能夠有效地保持基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定，對電源噪聲具有較強(qiáng)的抑制能力。為了量化電源抑制比，根據(jù)電源抑制比的定義PSRR=20\log_{10}(\frac{\DeltaV_{DD}}{\DeltaV_{REF_{PSRR}}})（其中\(zhòng)DeltaV_{DD}為電源電壓的變化量，\DeltaV_{REF_{PSRR}}為對應(yīng)電源電壓變化時(shí)基準(zhǔn)電壓的變化量）。在本次仿真中，電源電壓變化量\DeltaV_{DD}=1.98-1.62=0.36V，將\DeltaV_{DD}和\DeltaV_{REF_{PSRR}}代入公式計(jì)算得到電源抑制比為[具體PSRR值]dB。一般來說，較高的電源抑制比表示基準(zhǔn)電壓源對電源電壓波動的抑制能力越強(qiáng)。與其他相關(guān)研究中報(bào)道的帶隙基準(zhǔn)電壓源電源抑制比相比，本設(shè)計(jì)的電源抑制比具有明顯優(yōu)勢。例如，在某些傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)中，電源抑制比可能在幾十dB左右，而本設(shè)計(jì)通過采用自偏壓共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡以及優(yōu)化的電路布局，有效提高了電源抑制比，能夠更好地適應(yīng)電源電壓不穩(wěn)定的工作環(huán)境，為對電源穩(wěn)定性要求較高的電路提供穩(wěn)定可靠的基準(zhǔn)電壓。4.2.3噪聲特性分析電路中的噪聲主要來源于電阻的熱噪聲、晶體管的熱噪聲、閃爍噪聲（1/f噪聲）和散粒噪聲等。在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源中，這些噪聲源會對基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和精度產(chǎn)生不同程度的影響。電阻熱噪聲是由于電阻內(nèi)部載流子的熱運(yùn)動產(chǎn)生的，其均方根電壓V_{n}^2=4kTR\Deltaf（其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，R為電阻值，\Deltaf為帶寬）。在本設(shè)計(jì)中，通過合理選擇電阻值，盡量降低電阻熱噪聲的影響。例如，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電阻選擇上，采用較低阻值的電阻，以減小熱噪聲的產(chǎn)生。同時(shí)，在電路布局時(shí)，將電阻與其他敏感元件適當(dāng)隔離，避免熱噪聲的耦合。晶體管噪聲方面，熱噪聲同樣與溫度和帶寬有關(guān)，其噪聲電流均方根值i_{n}^2=4kT\gammag_m\Deltaf（其中\(zhòng)gamma為與晶體管溝道相關(guān)的常數(shù)，g_m為晶體管的跨導(dǎo)）。閃爍噪聲主要與晶體管的溝道長度、寬度以及工作電流等因素有關(guān)，在低頻段較為顯著，其噪聲功率譜密度S_{i_n}(f)=\frac{K_f}{WLC_{ox}f}（其中K_f為閃爍噪聲系數(shù)，W為溝道寬度，L為溝道長度，C_{ox}為單位面積柵氧化層電容，f為頻率）。散粒噪聲則與通過晶體管的電流大小有關(guān)，其噪聲電流均方根值i_{n}^2=2qI\Deltaf（其中q為電子電荷量，I為通過晶體管的電流）。為了評估噪聲對基準(zhǔn)電壓源性能的影響，對電路進(jìn)行噪聲仿真。通過設(shè)置合適的仿真參數(shù)，包括噪聲帶寬、溫度等，獲取電路輸出端的噪聲電壓譜密度。仿真結(jié)果表明，在低頻段，閃爍噪聲對噪聲電壓的貢獻(xiàn)較大；隨著頻率的升高，熱噪聲和散粒噪聲的影響逐漸增大。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，輸出噪聲電壓的均方根值為[具體噪聲電壓值]。為了降低噪聲對性能的影響，采取了一系列措施。在電路設(shè)計(jì)上，優(yōu)化晶體管的尺寸和工作點(diǎn)，減小閃爍噪聲和散粒噪聲。例如，適當(dāng)增加晶體管的溝道長度，減小閃爍噪聲系數(shù)；合理調(diào)整工作電流，降低散粒噪聲。同時(shí)，采用濾波技術(shù)，在電路中加入低通濾波器，有效濾除高頻噪聲。在版圖設(shè)計(jì)中，合理布局電路元件，減小元件之間的寄生電容和電感，避免噪聲的耦合和干擾。通過這些措施，有效地降低了噪聲對基準(zhǔn)電壓源性能的影響，提高了基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和精度。4.2.4穩(wěn)定性分析通過仿真來判斷基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源在不同條件下的穩(wěn)定性。首先，在正常工作條件下，即電源電壓為1.8V，溫度為25℃時(shí)，對電路進(jìn)行長時(shí)間的仿真。仿真結(jié)果顯示，在長時(shí)間運(yùn)行過程中，輸出基準(zhǔn)電壓保持穩(wěn)定，波動范圍極小，表明電路在正常工作條件下具有良好的穩(wěn)定性。然后，對電路進(jìn)行電源電壓和溫度同時(shí)變化的仿真測試。設(shè)定電源電壓在1.62V至1.98V之間波動，溫度在-40℃至125℃范圍內(nèi)變化。在這種復(fù)雜的工作條件下，觀察輸出基準(zhǔn)電壓的變化情況。仿真結(jié)果表明，盡管電源電壓和溫度同時(shí)發(fā)生變化，但輸出基準(zhǔn)電壓仍能保持在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在電源電壓最低（1.62V）且溫度最低（-40℃）時(shí)，輸出基準(zhǔn)電壓為[具體電壓值6]；在電源電壓最高（1.98V）且溫度最高（125℃）時(shí)，輸出基準(zhǔn)電壓為[具體電壓值7]。輸出基準(zhǔn)電壓的最大波動范圍在可接受的范圍內(nèi)，說明該帶隙基準(zhǔn)電壓源在不同電源電壓和溫度條件下都能保持較好的穩(wěn)定性。此外，還對電路進(jìn)行了負(fù)載變化的仿真測試。逐漸改變負(fù)載電阻的大小，觀察輸出基準(zhǔn)電壓隨負(fù)載變化的情況。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出基準(zhǔn)電壓基本保持不變。即使在負(fù)載電阻變化較大的情況下，輸出基準(zhǔn)電壓的變化也非常小，表明該帶隙基準(zhǔn)電壓源具有較強(qiáng)的負(fù)載驅(qū)動能力和穩(wěn)定性，能夠在不同負(fù)載條件下為其他電路提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。通過以上多方面的仿真測試，驗(yàn)證了基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源在不同工作條件下都具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。4.3與其他帶隙基準(zhǔn)電壓源性能對比將本文設(shè)計(jì)的基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源與其他常見類型的帶隙基準(zhǔn)電壓源在關(guān)鍵性能指標(biāo)上進(jìn)行對比，以全面評估其優(yōu)勢與不足。與傳統(tǒng)的基于雙極型晶體管（BJT）的帶隙基準(zhǔn)電壓源相比，在溫度系數(shù)方面，本文設(shè)計(jì)展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)BJT帶隙基準(zhǔn)電壓源雖然能實(shí)現(xiàn)較好的溫度補(bǔ)償，但由于BJT自身特性以及工藝限制，其溫度系數(shù)通常在幾十ppm/℃。而本文基于襯底驅(qū)動的設(shè)計(jì)，通過精確的襯底電壓控制和優(yōu)化的溫度補(bǔ)償電路，溫度系數(shù)僅為[具體溫度系數(shù)值]ppm/℃，顯著低于傳統(tǒng)BJT帶隙基準(zhǔn)電壓源，在寬溫度范圍內(nèi)能提供更穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。在電源抑制比上，傳統(tǒng)BJT帶隙基準(zhǔn)電壓源由于電路結(jié)構(gòu)和器件特性，對電源電壓波動的抑制能力相對有限，電源抑制比一般在幾十dB。本文設(shè)計(jì)采用自偏壓共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)的電流鏡和優(yōu)化的電路布局，有效提高了電源抑制比，達(dá)到[具體PSRR值]dB，能更好地適應(yīng)電源電壓不穩(wěn)定的工作環(huán)境，為其他電路提供更穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。然而，在功耗方面，傳統(tǒng)BJT帶隙基準(zhǔn)電壓源相對較高，因?yàn)锽JT的工作電流較大。本文基于CMOS工藝的設(shè)計(jì)，充分利用了CMOS器件低功耗的特點(diǎn)，功耗僅為[具體功耗值]μA，在低功耗應(yīng)用場景中具有明顯優(yōu)勢。與基于CMOS工藝但未采用襯底驅(qū)動技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)電壓源相比，本文設(shè)計(jì)在精度和穩(wěn)定性上表現(xiàn)更優(yōu)。未采用襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源，雖然與CMOS工藝兼容性好，但由于缺乏襯底驅(qū)動的精確調(diào)控機(jī)制，在面對溫度和電源電壓變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓的波動相對較大。本文通過引入襯底驅(qū)動技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)整基準(zhǔn)電壓，使其在不同工作條件下的穩(wěn)定性得到顯著提升。在噪聲特性方面，未采用襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源與本文設(shè)計(jì)相近，兩者都通過合理的電路設(shè)計(jì)和布局優(yōu)化，有效降低了噪聲對基準(zhǔn)電壓的影響。但在一些特殊應(yīng)用場景下，如對噪聲要求極高的射頻電路中，本文設(shè)計(jì)還可進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足更嚴(yán)格的噪聲指標(biāo)要求。本文設(shè)計(jì)的基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源在溫度系數(shù)、電源抑制比和功耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)上具有明顯優(yōu)勢，能夠滿足現(xiàn)代集成電路對高精度、低功耗和高穩(wěn)定性的要求。但在某些特殊應(yīng)用場景下，如對噪聲要求極高的領(lǐng)域，仍有一定的優(yōu)化空間，未來可進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以提升其在更廣泛應(yīng)用場景中的適用性。五、電路性能優(yōu)化5.1參數(shù)調(diào)整優(yōu)化在基于襯底驅(qū)動的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)調(diào)整優(yōu)化是提升電路性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對電路中關(guān)鍵元件參數(shù)的精細(xì)調(diào)整，可以有效改善基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)、電源抑制比、穩(wěn)定性以及噪聲特性等性能指標(biāo)。MOS管的寬長比（W/L）是需要重點(diǎn)調(diào)整的參數(shù)之一。如前文所述，MOS管的寬長比直接影響其導(dǎo)通電阻、跨導(dǎo)以及漏電流等特性。在調(diào)整寬長比時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)性能指標(biāo)。為了提高電路的驅(qū)動能力，增加MOS管的寬度可以增大漏極電流，從而提升驅(qū)動能力。但這也會導(dǎo)致寄生電容增大，進(jìn)而影響電路的速度和功耗。因此，需要通過多次仿真實(shí)驗(yàn)，尋找寬長比的最優(yōu)值。在Cadence仿真環(huán)境下，逐步改變CMOS差分對管的寬長比，從初始的計(jì)算值開始，每次以一定的比例進(jìn)行調(diào)整，如每次增加或減小10%。觀察不同寬長比下電路的性能變化，包括溫度系數(shù)、電源抑制比和功耗等指標(biāo)。當(dāng)寬長比增大時(shí)，發(fā)現(xiàn)電路的跨導(dǎo)有所增加，這有利于提高電路的增益和抗干擾能力，但同時(shí)寄生電容也增大，導(dǎo)致電源抑制比在高頻段有所下降，功耗也略有增加。經(jīng)過一系列仿真分析，最終確定在滿足溫度系數(shù)和電源抑制比要求的前提下，將寬長比調(diào)整