模拟集成电路设计之带隙基准（1）.pdf

模拟集成电路设计中的带隙基准是一种重要的电路设计技术，主要用于生成与电源和工艺参数无关、具有确定温度特性的直流电压或电流基准。这种基准源在模拟电路中扮演着基础和关键的角色，其稳定性和准确性对整个模拟电路的性能至关重要。 在介绍带隙基准之前，需要了解基准源的分类，它主要包括电压基准和电流基准两种。电压基准是产生恒定电压的电路，而电流基准是产生恒定电流的电路。这些基准源在设计时需要特别考虑与温度的关系，因为它们需要保持一定的温度稳定性。基准源应具备以下特点： 1. 与电源电压无关：意味着基准源输出的电压或电流不受电源电压波动的影响。 2. 与工艺参数无关：工艺变化对基准源输出的影响应尽可能小。 3. 具有确定的温度特性：理想情况下，基准源应能提供与温度变化无关或可预测变化的电压或电流。 带隙基准电路之所以受到青睐，是因为它能在低电源电压条件下工作，拥有低温度漂移、低噪声和高电源抑制比等特性。为了实现这些特性，带隙基准通常会采用以下三种形式之一： 1. 与温度无关的基准：通过将具有相反温度系数的电压以适当的权重相加，使得结果达到零温度系数。 2. 与绝对温度成正比的基准（产生PTAT电流）：利用双极型晶体管的特性，其基极-发射极电压差与绝对温度成正比。 3. 恒定跨导偏置：一些晶体管的跨导能够在特定条件下保持常数，从而提供稳定的基准。 在设计带隙基准电路时，最重要的环节之一是选择适当的正温度系数和负温度系数的电压量。常见的做法是使用双极型晶体管，因为它们的特性参数具有很好的重复性，并能提供正负温度系数。双极型晶体管是带隙基准电路的核心组成部分，其基极-发射极电压（VBE）具有负温度系数，而两个在不同电流密度下工作的晶体管的VBE差值则与绝对温度成正比。 带隙基准的设计基于以下公式： Vref = α1 * V1 + α2 * V2 其中，V1和V2具有相反的温度系数，α1和α2为相应的权重值。通过选择合适的权重，可以实现零温度系数的Vref。 在带隙基准电路的设计中，确保电压Vref的稳定性还需要考虑其他电路设计因素，如运放的设计。运放的设计中，输入失调电压可能导致输出误差。为了减小失调电压的影响，可以采用以下措施： 1. 使用大尺寸晶体管来构建运放，以降低失调电压。 2. 进行精确匹配，确保运放输入对称。 3. 利用失调校正电路，动态调节运放的失调电压，使其接近零。 带隙基准电路设计需遵循严格的版图和前后仿真要求，以保证电路的性能达到设计要求。在版图设计时，需要考虑到晶体管的匹配、热效应、电阻和电容的布局等因素，以确保电路的温度特性和稳定性能在物理实现时仍然保持。前后仿真则是在电路设计完成后进行的验证工作，包括直流分析、交流分析、噪声分析和瞬态分析等，以确保电路在不同的工作环境下都能保持其性能。 带隙基准电路设计也考虑到与标准CMOS工艺的兼容性问题，因为大多数模拟电路设计都希望在数字电路工艺平台上实现。带隙基准电路设计中会使用PNP型双极晶体管，这种晶体管在n阱CMOS工艺中可以实现，从而保证设计的可实施性。 带隙基准电路的设计和实现是一个高度专业化的领域，涉及到电路原理、半导体物理特性、精密布局设计以及仿真验证等多个方面，是模拟集成电路设计中一项极具挑战性的工作。