Design CMOS bandgap voltage reference.pdf

《CMOS带隙基准电压源的设计考虑》 带隙基准电压源在现代混合信号和射频系统中扮演着至关重要的角色。它是一种基础构建模块，为电源管理、模数转换器（ADCs）和数模转换器（DACs）等不同部分提供稳定且精确的电压参考，以确保系统的高性能运行。在诸如图1所示的典型混合信号系统中，多个电压参考源的使用可以避免单一参考电路的串扰，并满足不同模块的不同电压需求。 带隙电压参考的原理源于其独特的温度特性。由Widlar首次提出，并经Kuijk和Brokaw进一步发展，这种设计能够提供一个可预测的参考电压，且具有较低的电压和温度依赖性。如图2所示，带隙电压参考的基本工作原理是利用双极型晶体管的基发射极电压（VBE）与温度的关系。VBE会随着温度升高而线性降低，而二极管的电压差（ΔVBE）则相对温度变化较小。通过适当的设计，可以构建一个在宽温度范围内几乎恒定的电压参考。 低电压和低温度系数是带隙电压参考设计中的关键挑战。在低电压操作中，需要特别注意电路的电源抑制比（PSRR）和输出电压噪声，因为这些因素将直接影响参考电压的稳定性。此外，减小温度系数要求精心设计带隙电路的补偿机制，以抵消VBE随温度变化的影响。这通常涉及到比例因子的调整和补偿电阻的使用。 近年来，已经出现了一些先进的CMOS带隙电压参考电路，这些电路在保持高精度的同时，实现了更低的电压操作和更小的温度漂移。Philip K. T. Mok和Ka Nang Leung在他们的论文中分析了这些报道的电路，讨论了它们的设计策略和优化方法。例如，采用多级放大器结构可以提高带隙电压源的输出电压精度，而使用新型半导体材料或工艺技术则可能进一步降低温度依赖性。 在实际应用中，带隙电压参考的设计还必须考虑到电源电压的波动、负载电流的变化以及制造过程的不一致性。为了确保在各种条件下都能提供稳定的参考电压，设计者可能需要采用误差校正电路或者引入反馈机制。同时，为了实现低功耗，带隙电压参考通常采用关断模式或动态调整工作状态，以在不需要时降低电流消耗。 带隙电压参考的设计是一门精细的艺术，需要平衡多个性能参数，包括精度、温度稳定性、电压范围和功耗。随着集成电路技术的发展，对带隙电压参考的需求越来越复杂，设计师们不断探索新的方法和技巧，以满足这些日益增长的挑战。深入理解带隙电压参考的工作原理和设计策略，对于提升集成电路系统的整体性能至关重要。