二阶温度补偿CMOS带隙基准电路设计与优化

"一种二阶温度补偿的CMOS带隙基准电路设计，旨在解决标准CMOS工艺下带隙基准源的启动困难和温度敏感性问题。电路采用了PTAT2电流电路，利用饱和区MOSFET的电流特性，确保与标准CMOS工艺的兼容性。为了解决启动难题，引入额外电阻，保证正常启动。此外，共源共栅结构和串联BJT管用于提升电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio, PSRR)和降低温度系数。在TSMC 0.35微米CMOS工艺下，通过HSPICE软件仿真，电路在3.3V供电电压下，输出基准电压1.2254V，温度系数2.91×10^-6V/℃，PSRR达到96dB，启动时间仅为7微秒。" 带隙基准源是模拟集成电路设计的基础部分，提供稳定的参考电压，对于系统稳定性至关重要。在现代半导体技术，特别是SoC系统中，CMOS工艺因其高集成度和低功耗而被广泛应用。因此，设计能在标准CMOS工艺下工作的高效带隙基准源成为关键。 本文提出的带隙基准源设计采用了二阶温度补偿策略，通过折叠式共源共栅自偏置二级运算放大器增强电路的PSRR。这种二级运放结构包括M5至M20晶体管、电阻R1至R3和电容C1，能有效控制核心电路的电压点。电路的核心部分利用双层PMOS管叠加，减少失调电压对输出参考电压的影响。 二阶温度补偿是通过生成与温度平方相关的PTAT2电流实现的，这在一阶温度补偿基础上进一步减小了温度对基准电压的影响，从而显著降低了温度系数。图1所示的整体电路图揭示了这种二阶补偿机制的实现方式。 为了进一步理解设计细节，二级运放中的M16和M17形成自偏置电路，保持偏置电流的温度独立性。M8和M9组成的共源共栅结构有助于提高PSRR，而M14和M15与串联的PNP晶体管一起工作，减少了失调电压的影响。在M12和M13构成的电流镜的帮助下，PTAT2电流得以产生，实现了二阶温度补偿功能。 在实际应用中，这样的设计可以显著提高CMOS带隙基准源的性能，特别是在宽温度范围和不同电源电压条件下，保持其输出电压的稳定性和精度。仿真结果验证了设计的有效性，显示出优秀的性能指标，这对于实现高性能、低功耗的模拟集成电路至关重要。