优化低功耗高精度CMOS带隙基准电路设计

本文主要探讨了精确高阶补偿CMOS带隙基准电路的设计与优化。带隙基准电路在现代大规模集成电路中扮演着至关重要的角色，它提供了一个稳定且精确的基准电压，对于许多模拟电路如A/D和D/A转换器、滤波器以及锁相环等的性能起着决定性作用。由于集成电路工艺的进步，对基准电路的精度要求日益提高，特别是温度稳定性，这是衡量带隙基准电路性能的关键指标。 传统的电路设计包括一阶补偿，如电路图1所示，其中通过设置两个相同类型、阻值相等的电阻R1和R2，并利用高增益运算放大器实现深度负反馈，使得输出电压Va等于Vb。电路中的电流I1与绝对温度成正比，通过调整发射结面积比N，可以抵消一部分温度变化的影响。 然而，文章的重点在于对经典高阶补偿带隙基准电路的改进。传统的电路存在偏差，为提高精度，作者在保持基本结构的基础上，进行了两项关键改动：首先，通过精细调整MOS管的尺寸，这直接影响电路的电荷迁移率和阈值电压，从而减少温度敏感性；其次，引入一个带有反馈的运算放大器，增强了电路的补偿能力，使得理论分析与电路模型之间的匹配更加紧密。 这种改进使得电路在UMC0.11μm 3.3V CMOS工艺下工作，实现了显著的温度系数优化。原电路的温度系数为0.42 ppm/℃，经过改进后降低到了0.086 ppm/℃，这意味着在-30~120℃的宽温范围内，电路的稳定性得到了显著提升，满足了低电压、低功耗的应用需求。 本文深入分析了一阶和高阶补偿电路的工作原理，并针对存在的问题提出了有效的改进策略。通过理论分析和仿真的验证，新的精确高阶补偿CMOS带隙基准电路不仅提高了基准电压的准确性，还显著改善了温度稳定性，这对于现代电子设计工程，特别是在集成电路设计中，是一项重要的技术创新。