新型CMOS带隙基准源设计：低温度系数与稳定性

"一种新型高CMOS带隙基准源的设计" 在模拟集成电路中，电压基准和电流基准是不可或缺的组成部分，特别是在数模转换器（ADC）和模数转换器（DAC）这样的关键电路中，基准电压的精度直接影响了整体系统的性能。理想的基准电压应具备较小的电源和工艺参数依赖性，并且其温度特性是可预测的。常见的温度关系分为正温度系数（PTAT）和零温度系数（温度无关）两种类型。 近年来的研究发现，当晶体管工作在弱反型区，且漏电流保持恒定时，其栅源电压会随着温度的升高在一定范围内呈线性下降。这一现象为设计低温度系数的基准源提供了新的思路。传统的带隙基准源主要依赖于基极-发射极结（BJT）产生的电压，但新的设计可以利用工作在弱反型区的MOSFET晶体管来替代，从而构建出具有低温度系数的基准源。文献中提到的具体实现方法是采用0.13微米工艺的低阈值电压NMOS管和经过衬底调整的PMOS管构建放大器，以实现更稳定的基准源。 带隙基准源的基本原理在于结合正负温度系数的电压，以达到温度独立的输出电压。例如，PN结二极管产生的VBE具有负温度系数，而热电压VT则与温度成正比。通过精确设计，可以使得负温度系数的VBE与正温度系数的VT的组合对温度的变化几乎无敏感度，从而实现一个稳定的基准电压。这通常涉及到对VBE的负温度系数进行补偿，例如通过饱和状态MOSFET的等效电阻动态反馈来抵消PTAT电流的影响。 在实际设计中，要深入理解VBE与温度的复杂关系，这通常包括考虑二极管的载流子迁移率、掺杂浓度以及热激活能级等因素。带隙基准源的设计还需要仔细权衡各个电压源的权重，以确保在整个工作温度范围内，输出电压的温度系数尽可能接近零。 1.1节详细介绍了负温度系数电压的产生，即双极晶体管基极-发射极结的工作原理。双极晶体管在不同温度下的VBE变化，以及如何利用这种变化来构建负温度系数的电压源。通过这种方式，可以与正温度系数的电压源进行组合，以实现整体的温度补偿。 新型高CMOS带隙基准源的设计是一种创新的技术，它利用MOSFET的弱反型区特性来优化基准源的温度稳定性，这对提高模拟电路的精度和可靠性具有重要意义。这种设计方法不仅适用于高精度的ADC和DAC，还可以应用于其他需要稳定基准电压的电子系统中。通过不断的技术进步和对半导体器件物理特性的深入理解，未来的带隙基准源设计可能会变得更加高效和精确。