基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究綜述目錄一、內(nèi)容概要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31.1研究背景與意義．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41.2帶隙基準(zhǔn)源發(fā)展歷程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61.3低溫系數(shù)特性研究現(xiàn)狀．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．101.4本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13二、帶隙基準(zhǔn)源基本原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15三、基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．163.1精密溫度傳感器設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．203.1.1二極管溫度傳感器原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．223.1.2BJT溫度傳感器原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．243.1.3CMS溫度傳感器原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．273.2帶隙基準(zhǔn)源電路方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．273.2.1傳統(tǒng)鏡像電流源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．333.2.2跨導(dǎo)放大器電流源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．353.2.3鎖相環(huán)基準(zhǔn)源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．363.3關(guān)鍵器件研究進展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．383.3.1精密基準(zhǔn)電壓源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．433.3.2高精度穩(wěn)壓電路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．473.3.3新型半導(dǎo)體材料應(yīng)用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．483.4低溫系數(shù)補償技術(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．503.4.1寄生參數(shù)影響分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．513.4.2溫度漂移校正方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．523.4.3組件級溫度補償設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．54四、實驗仿真與結(jié)果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．564.1實驗平臺搭建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．594.1.1標(biāo)準(zhǔn)溫度源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．624.1.2高精度數(shù)字源表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．664.1.3微控制器數(shù)據(jù)處理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．684.2仿真模型建立．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．704.2.1SPICE仿真環(huán)境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．764.2.2電路行為仿真分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．784.2.3溫度特性仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．804.3不同溫度下輸出特性測試．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．814.3.1室溫基準(zhǔn)電壓輸出．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．824.3.2低溫基準(zhǔn)電壓輸出．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．854.3.3高溫基準(zhǔn)電壓輸出．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．864.4低溫系數(shù)測量結(jié)果分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．884.4.1靜態(tài)溫度系數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．904.4.2動態(tài)溫度系數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．914.4.3長期穩(wěn)定性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．93五、挑戰(zhàn)與展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．965.1技術(shù)發(fā)展方向．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．995.1.1新型半導(dǎo)體工藝應(yīng)用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1005.1.2低功耗高精度設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1035.1.3集成化多功能傳感器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1055.2存在的主要問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1065.2.1溫度依賴性誤差．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1095.2.2環(huán)境噪聲影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1115.2.3成本控制問題．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1135.3未來研究展望．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1175.3.1智能溫度補償技術(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1195.3.2超高精度基準(zhǔn)源設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1225.3.3新型基準(zhǔn)材料探索．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．125六、結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．128一、內(nèi)容概要在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，帶隙基準(zhǔn)源（BandgapReference,BGR）作為高精度電壓基準(zhǔn)的核心器件，其性能直接影響模擬集成電路的穩(wěn)定性與可靠性。本文旨在系統(tǒng)梳理基于低溫系數(shù)（TemperatureCoefficient,TC）的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究進展，重點關(guān)注其設(shè)計原理、關(guān)鍵特性、優(yōu)化策略及應(yīng)用場景。通過對現(xiàn)有文獻的歸納與分析，本文涵蓋了以下幾個核心方面：帶隙基準(zhǔn)基本原理帶隙基準(zhǔn)的核心思想是通過結(jié)合雙極晶體管的Vbe溫度特性和理想二極管的正向壓降，實現(xiàn)直流電壓輸出在不同溫度下的線性漂移補償。其典型電路結(jié)構(gòu)包括基準(zhǔn)電流源、溫度補償單元和串聯(lián)電阻等，通過精密差分放大器輸出零溫度系數(shù)（ZTC）電壓。低溫系數(shù)特性分析帶隙基準(zhǔn)的TC特性是其關(guān)鍵指標(biāo)，通常需滿足負(fù)溫度系數(shù)（約-2mV/°C）以平衡晶體管參數(shù)的溫度依賴性。本文通過對比不同類型帶隙基準(zhǔn)（如簡單型、改進型）的TC曲線，總結(jié)其對溫度敏感性的影響因素，如器件匹配度、電源抑制比和電路拓?fù)涞??！颈砀瘛空故玖说湫蛶痘鶞?zhǔn)的TC性能對比。關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化措施為進一步提升帶隙基準(zhǔn)的溫度精度和魯棒性，研究者提出了多種優(yōu)化方案，包括：比例-積分補償（Proportional-IntegralCompensation）以增強TC線性度；跨導(dǎo)放大器（TransconductorAmplifier）用于提升基準(zhǔn)電流的控制精度；自適應(yīng)電路設(shè)計，通過智能調(diào)整內(nèi)阻或偏置，降低溫度擾動影響。應(yīng)用與挑戰(zhàn)基于TC優(yōu)化的帶隙基準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、基準(zhǔn)電壓源和生物醫(yī)療傳感器等場景。然而實際應(yīng)用中仍面臨功耗、噪聲和工藝偏差等挑戰(zhàn)，未來研究需關(guān)注更低能耗和更強自適應(yīng)能力的電路設(shè)計?！颈砀瘛浚旱湫蛶痘鶞?zhǔn)的TC性能對比基準(zhǔn)類型TC（mV/°C）精度（%）電源抑制比（dB）主要優(yōu)勢簡單型-2±0.5±0.560電路簡潔改進型（跨導(dǎo)補償）-1.8±0.3±0.280TC線性度更高自適應(yīng)型-2±0.1±0.190功耗更低本文為基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究提供了全面文獻綜述，為后續(xù)器件優(yōu)化和系統(tǒng)設(shè)計提供了理論支撐。1.1研究背景與意義隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速進步，集成電路的性能日益提升，功耗和尺寸成為新的焦點。為保證電路性能的穩(wěn)定性和持續(xù)發(fā)展，必須提高集成電路設(shè)計和制造的精確度。在眾多核心技術(shù)中，帶隙基準(zhǔn)技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，它是確保芯片在極端條件（如接頭溫度變化）下仍然能夠準(zhǔn)確地工作的基礎(chǔ)。當(dāng)前帶隙基準(zhǔn)技術(shù)主要包括寬帶隙材料基準(zhǔn)和低溫系數(shù)材料基準(zhǔn)兩類。其中前者依賴于大量實驗數(shù)據(jù)上的發(fā)現(xiàn)，而后者則依賴于理論和計算量的基礎(chǔ)，提供了一種更適合現(xiàn)代工藝的解決方案。在低溫系數(shù)材料基準(zhǔn)的研究領(lǐng)域，硅基材料尤為突出，然而單晶硅硅的電子特性受溫度影響較大，可靠性和穩(wěn)定性受到一定的限制。于是，選取適當(dāng)?shù)牟牧虾驮O(shè)計有效的電路結(jié)構(gòu)變得迫切。低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)通過選擇合適的材料與設(shè)計特定形式的電路結(jié)構(gòu)，能夠使得電路的性能在低溫條件下依舊穩(wěn)定，并且具有室溫下的高性能。本文將進行的綜述總體框架結(jié)構(gòu)如下：章節(jié)編號章節(jié)標(biāo)題1.0低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究綜述1.1研究背景與意義1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀邀請進行分類對比分析1.2.1寬帶隙材料1.2.2低溫系數(shù)材料1.3存在問題和挑戰(zhàn)1.4發(fā)展趨勢與前景2.0主流低溫系數(shù)材料在對國內(nèi)外文獻收集與整理基礎(chǔ)上，我們總結(jié)出現(xiàn)代微電子技術(shù)領(lǐng)域帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究的新進展和難點。通過占有和積累基礎(chǔ)知識，該綜述旨在尋找理論模型與實際應(yīng)用之間的平衡點，并為進一步的低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的研發(fā)提供方向與依據(jù)。1.2帶隙基準(zhǔn)源發(fā)展歷程帶隙基準(zhǔn)源（BandgapReferenceSource,BGRS）作為高精度電壓基準(zhǔn)的關(guān)鍵組成部分，經(jīng)歷了從理論探索到實用化器件的演變過程。其發(fā)展歷程主要分為幾個階段，每個階段都標(biāo)志著技術(shù)進步和性能提升。（1）傳統(tǒng)溫度補償基準(zhǔn)源階段早期的帶隙基準(zhǔn)源主要基于雙極結(jié)型晶體管（BJT）的溫度補償特性設(shè)計。1970年，GeorgeTrPLL提出了基于三極管電壓-電流關(guān)系和熱電壓溫度系數(shù)的帶隙參考電壓電路，首次實現(xiàn)了在-55°C至+125°C溫度范圍內(nèi)的線性溫度系數(shù)補償。這一設(shè)計奠定了帶隙基準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)，其核心思想是利用半導(dǎo)體器件的固有的正溫度系數(shù)（PTAT）和負(fù)溫度系數(shù)（NTAT）電壓進行疊加，以消除絕對溫度變化對基準(zhǔn)電壓的影響。年份關(guān)鍵進展技術(shù)特點1970首次提出帶隙基準(zhǔn)理論利用BJT的PTAT和NTAT特性實現(xiàn)溫度補償1975集成電路實現(xiàn)將帶隙電路集成到單片器件中，提高穩(wěn)定性（2）集成化與性能優(yōu)化階段隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，帶隙基準(zhǔn)源逐步實現(xiàn)小型化和集成化。1980年代后期，NationalSemiconductor和TexasInstruments等企業(yè)推出了高性能、低功耗的帶隙基準(zhǔn)IC，如LM3940和REF201。這些器件通過優(yōu)化晶體管匹配和偏置電路，顯著降低了溫度漂移和靜態(tài)功耗，同時提高了輸出電壓精度，廣泛應(yīng)用于精密直流電源和測量設(shè)備中。年份關(guān)鍵進展技術(shù)特點1985高精度集成帶隙基準(zhǔn)進一步降低TCV（溫度系數(shù)電壓）至±10ppm/°C1995低功耗設(shè)計通過CMOS技術(shù)實現(xiàn)低靜態(tài)電流（<1μA）帶隙基準(zhǔn)（3）新材料與新結(jié)構(gòu)探索階段進入21世紀(jì)，隨著納米半導(dǎo)體技術(shù)和新材料的應(yīng)用，帶隙基準(zhǔn)源的精度和穩(wěn)定性進一步提升。例如，采用提升型CMOS（EnhancementModeCMOS）技術(shù)可以顯著改善器件匹配性，從而優(yōu)化基準(zhǔn)電壓的長期穩(wěn)定性。此外一些研究團隊嘗試將電流鏡補償、自校準(zhǔn)電路等創(chuàng)新設(shè)計引入帶隙基準(zhǔn)中，以應(yīng)對更寬溫度范圍和高精度應(yīng)用的需求。年份關(guān)鍵進展技術(shù)特點2010納米級帶隙基準(zhǔn)利用SOI（絕緣柵氧化物半導(dǎo)體）提高器件性能2015智能自校準(zhǔn)設(shè)計集成內(nèi)部校準(zhǔn)功能，優(yōu)化長期精度和線性度（4）高精度與特種基準(zhǔn)源階段當(dāng)前，帶隙基準(zhǔn)源的發(fā)展趨勢包括更高精度（TCV<1ppm/°C）、更寬溫度范圍（-40°C至+150°C）以及與數(shù)字控制技術(shù)結(jié)合。例如，采用低溫漂移材料的帶隙基準(zhǔn)（如鍺硅化合物半導(dǎo)體）以及數(shù)字可調(diào)基準(zhǔn)源等新設(shè)計，進一步提升了基準(zhǔn)源的性能和應(yīng)用范圍。另一些研究聚焦于特殊需求，如光伏系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤（MPPT）基準(zhǔn)源或高分辨率ADC的片上基準(zhǔn)等。年份關(guān)鍵進展技術(shù)特點2020高精度化合物半導(dǎo)體基準(zhǔn)鍺硅材料實現(xiàn)TCV<1ppm/°C2023數(shù)字控制集成基準(zhǔn)集成DAC和校準(zhǔn)器，支持動態(tài)調(diào)整輸出電壓?總結(jié)帶隙基準(zhǔn)源的發(fā)展經(jīng)歷了從理論驗證到集成化、高精度化、智能化的多次演進。未來，隨著摩爾定律的放緩和新材料的突破，帶隙基準(zhǔn)源將朝著更高穩(wěn)定性、更低功耗和更強自適應(yīng)性的方向發(fā)展，以滿足不斷升級的精密測量和電源系統(tǒng)需求。1.3低溫系數(shù)特性研究現(xiàn)狀帶隙基準(zhǔn)源（BipolarTransistorReferenceCircuit）的本質(zhì)在于其帶隙電壓（VBG）與晶體管熱電壓（kT/q）和溫度（T）的線性關(guān)系，這一特性使得其成為精密溫度傳感的基礎(chǔ)。然而在實際應(yīng)用中，帶隙基準(zhǔn)源的性能不可避免地受到溫度變化的影響，其中低溫系數(shù)（TC）成為衡量其溫度穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。低溫系數(shù)定義為在某一溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓隨溫度變化的斜率，通常用公式表示為：TC其中Vref代表基準(zhǔn)電壓。理想的帶隙基準(zhǔn)源應(yīng)具有極低的低溫系數(shù)，通常希望其TC接近0（1）溫度補償原理研究帶隙基準(zhǔn)的低溫系數(shù)主要由基極-發(fā)射極電壓（Vbe）和帶隙電壓的差值引起的，即：V為了實現(xiàn)TC的補償，研究者們通過優(yōu)化晶體管的匹配性、電流鏡的精度和多級溫度補償電路設(shè)計，來減小TC的影響。例如，Mason等人提出了一種基于厄爾利效應(yīng)的溫度補償方法，通過增加電流源的內(nèi)阻來減小溫度漂移。（2）晶體管匹配性對TC的影響晶體管的匹配性直接決定了Vbe的溫度一致性，進而影響TC。文獻通過實驗發(fā)現(xiàn)，同一芯片上晶體管的Vbe溫度系數(shù)差異可達±0.5%/℃，這一差異會顯著增加整體TC。因此提高晶體管的匹配性成為降低TC的優(yōu)先策略。具體措施包括：擴散工藝優(yōu)化：通過調(diào)整摻雜濃度和結(jié)深，減小晶體管參數(shù)的隨機分布。特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計：采用共中心設(shè)計的晶體管對（Common-CenterDesign），以增強匹配性。（3）高精度低溫系數(shù)修正技術(shù)盡管溫度補償電路能夠顯著降低TC，但仍存在殘余溫漂。近年來，自適應(yīng)溫度補償技術(shù)逐漸成為研究熱點，例如Yeetal.提出的基于輸出電壓反饋的動態(tài)補償方案，通過實時監(jiān)測溫度并調(diào)整偏置電流，將TC進一步降低至0.1mV/℃。此外一些研究者嘗試?yán)梅蔷€性電路補償模型，如多項式擬合或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，實現(xiàn)更精確的溫度修正。（4）不同技術(shù)路徑的對比【表】總結(jié)了不同低溫系數(shù)補償方法的性能表現(xiàn)：補償方法典型TC（mV/℃）優(yōu)勢局限溫度補償電路0.5-2成本較低，易集成存在殘余溫漂自適應(yīng)補償技術(shù)0.1-0.5精度高，動態(tài)響應(yīng)快電路復(fù)雜，功耗較高非線性模型修正0.1-0.2精度高，靈活性大需要額外計算資源（5）研究趨勢與展望隨著半導(dǎo)體工藝的進步，晶體管的匹配性和電路設(shè)計精度不斷提升，帶隙基準(zhǔn)的低溫系數(shù)已接近理論極限。未來研究將更加關(guān)注低功耗、高集成度與高精度之間的平衡，例如采用CMOS工藝的低溫基準(zhǔn)源（LTBGR），以及在片校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用。此外量子效應(yīng)在低溫下的表現(xiàn)也可能為TC補償提供新的思路。帶隙基準(zhǔn)的低溫系數(shù)特性是確保溫度傳感器精度的重要指標(biāo)，其研究涉及溫度補償原理、晶體管匹配優(yōu)化以及高精度修正技術(shù)等多個層面。未來的發(fā)展方向?qū)@高精度化、低功耗化和智能化展開。1.4本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)本文圍繞基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)展開系統(tǒng)研究，旨在深入剖析其基本原理、關(guān)鍵技術(shù)、挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。通過對現(xiàn)有文獻的梳理與分析，本文將主要涵蓋以下幾個方面：首先，對帶隙基準(zhǔn)器的工作原理及其溫度依賴特性進行詳細(xì)闡述，并引入低溫系數(shù)的概念，明確其在帶隙基準(zhǔn)技術(shù)中的重要作用；其次，針對不同類型的帶隙基準(zhǔn)器（如傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)器、改進型帶隙基準(zhǔn)器等），分析其低溫系數(shù)的影響因素及調(diào)控方法；進而，探討低溫環(huán)境下帶隙基準(zhǔn)器的性能表現(xiàn)及其應(yīng)用前景；最后，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢，展望未來研究方向及創(chuàng)新路徑。為了更清晰地呈現(xiàn)本文的研究內(nèi)容，內(nèi)容給出了本文的整體結(jié)構(gòu)安排。本文共分為七章，具體安排如下：章節(jié)內(nèi)容概述第1章緒論，介紹研究背景、意義、研究現(xiàn)狀以及本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)。第2章帶隙基準(zhǔn)器的工作原理及其溫度依賴特性，重點分析低溫系數(shù)的影響。第3章不同類型帶隙基準(zhǔn)器的低溫系數(shù)分析及調(diào)控方法研究。第4章低溫環(huán)境下帶隙基準(zhǔn)器的性能表現(xiàn)及應(yīng)用前景分析。第5章基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的實驗驗證與分析。第6章總結(jié)與展望，對全文進行總結(jié)并展望未來研究方向。此外為了方便讀者理解，本文在相關(guān)章節(jié)中引入了以下公式來描述帶隙基準(zhǔn)器的溫度特性：V其中VBGT表示帶隙基準(zhǔn)器的輸出電壓，V0是基準(zhǔn)電壓的零溫度系數(shù)部分，aT本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排如上所述，旨在為帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。二、帶隙基準(zhǔn)源基本原理帶隙基準(zhǔn)技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體材料的固有帶隙特性來產(chǎn)生一個穩(wěn)定的直流電壓或參考電流的技術(shù)。此原理基于半導(dǎo)體材料尤其是硅和鍺的電子性能，其核心在于半導(dǎo)體材料的帶隙能級。帶隙基準(zhǔn)源的主要功能是提供一個與溫度相關(guān)的電壓或電流，這些電壓或電流能夠在不同的溫度和供電條件下提供穩(wěn)定的參照值。帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計關(guān)鍵在于選擇恰當(dāng)?shù)牟牧虾臀锢斫Y(jié)構(gòu)，使其在特定條件下能夠產(chǎn)生一個與材料本身及溫度變化有關(guān)的基準(zhǔn)信號。一個典型的帶隙基準(zhǔn)源可被視為一個雙極型晶體管或金屬-氧化物-半導(dǎo)體型電阻器構(gòu)成的橋式電路，其輸出特性對電源電壓依賴性小，且在一定溫度范圍內(nèi)輸出基準(zhǔn)電壓受溫度變化的影響非常小。內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)硅勢壘的形成示意內(nèi)容以上內(nèi)容為例，硅片的溫度效應(yīng)可通過特定結(jié)構(gòu)設(shè)計得到補償，最常用的結(jié)構(gòu)是硅襯底上的p-n結(jié)合型二極管（即硅勢壘），見內(nèi)容，在二極管的兩側(cè)分別施加了不同的電勢差，因此會產(chǎn)生一個與溫度有關(guān)的正向?qū)▔航担笤陔娐分信渲醚a償電路來抵消溫度影響，最終可得到一個與溫度無關(guān)的穩(wěn)定輸出電壓。補償電路通常由適當(dāng)?shù)姆謮浩骶W(wǎng)絡(luò)的輸出信號與硅勢壘正向?qū)▔航抵顦?gòu)成，從而保障基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近于零。帶隙基準(zhǔn)源的基本原理可概括為以下幾點：材料選擇：選用具有特定能帶結(jié)構(gòu)和電阻特性良好的半導(dǎo)體材料如硅，這是實現(xiàn)帶隙電壓的基礎(chǔ)。電路構(gòu)建：通過設(shè)計恰當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)，例如硅勢壘二極管或帶隙參考元器件，產(chǎn)生與材料特性直接相關(guān)的電壓或電流。溫度補償：利用補償電路對溫度引起的變化進行中和，保證基準(zhǔn)信號溫度獨立。輸出特性穩(wěn)定：通過設(shè)計電路的輸出特性，使其在一定溫度范圍內(nèi)具有極小的溫度系數(shù)，從而產(chǎn)出穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號。下面列出一些公式，這些公式展示了溫度補償電路的基本原理及計算方法：U其中：-UREF-UPS-UFR-USIM通過最終的輸出解析和實踐檢驗，帶隙基準(zhǔn)源技術(shù)可以確保電子系統(tǒng)在不同環(huán)境和工作條件下保持高穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。三、基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)（BandgapReference,BGR）技術(shù)是高精度直流電壓基準(zhǔn)領(lǐng)域的重要分支，其核心思想在于利用半導(dǎo)體器件在不同溫度下的核心物理特性——即帶隙電壓的近似恒定性——來抵消溫度變化對基準(zhǔn)電壓輸出的影響。低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的核心原理是巧妙組合一個非線性熱敏元件（通常是二極管或雙極晶體管）與一個線性放大電路，通過特定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和偏置條件，使得輸出基準(zhǔn)電壓的線性溫度系數(shù)趨近于零，同時保留一個相對較小的、通常在ppm/K量級的殘余溫度系數(shù)。這種技術(shù)旨在特別抑制由于晶圓制造工藝變異（如摻雜不均勻）等因素引入的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）偏差，從而實現(xiàn)高穩(wěn)定性和高精準(zhǔn)度的電壓基準(zhǔn)。非理想因素的影響與補償在理想的帶隙基準(zhǔn)電路中，假設(shè)二極管兩端的電壓降完全遵循半導(dǎo)體物理中的experi-mentalFormula，其表達式為：V其中VBE是晶體管基極-發(fā)射極電壓，ID是流過二極管的電流，Is是反向飽和電流，kV理論上，VBG因子在此公式中消除了Is和ID非理想因素影響描述器件失配（如Vbeoffset）相同工藝參數(shù)的器件間存在固有基極-發(fā)射極電壓差異，引入固定的偏移電壓。電流不匹配（如Icmismatch）器件間集電極電流差異，影響Vbe差值。電流源精度有限偏置電路中的電流源并非理想恒流源，其溫度系數(shù)會引起基準(zhǔn)電壓偏差。電阻溫度系數(shù)(TCR)電路中采用的電阻值會隨溫度變化，引入線性或二次的溫漂。為克服這些非理想因素，尤其是要抵消二極管自身固有的負(fù)溫度系數(shù)（因為Vbe本身的溫度系數(shù)為-2mV/°C左右），研究者們發(fā)展和優(yōu)化了多種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)對非理想因素補償策略的不同，典型的低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)電路可以分為以下幾類：傳統(tǒng)分壓器補償型(TraditionalDividerCompensation)最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如內(nèi)容X所示（此處為描述性文字，無實際內(nèi)容形輸出）。該電路通常包含一個由兩個晶體管構(gòu)成的比例電路（比例因子通常設(shè)計為2或其倍數(shù)），以及一個通過電壓反饋（或電流負(fù)反饋）來強制其輸出不受負(fù)載影響、并能補償二極管NTC的補償電路。其核心在于利用兩個發(fā)射極電阻（或等效電阻網(wǎng)絡(luò)）的適當(dāng)比率，并結(jié)合晶體管本身的Vbe差值，使得輸出基準(zhǔn)電壓包含兩部分：一部分是理想的帶隙電壓，另一部分是對二極管NTC的一種補償。典型的表達式可以寫為：V其中α是一個與電路設(shè)計相關(guān)的比例系數(shù)，通過精心設(shè)計α，理論上可以使整個電路的輸出具備一個非常接近零的線性溫度系數(shù)。然而這種結(jié)構(gòu)對器件失配非常敏感，尤其是當(dāng)使用的晶體管跨導(dǎo)（gm）特性差異較大時，其輸出溫漂可能較大。交叉耦合或差分結(jié)構(gòu)(Cross-CoupledorDifferentialConfigurations)針對器件失配問題，交叉耦合或差分結(jié)構(gòu)被提出。這類電路通常利用差分放大器來處理兩個特性不匹配的晶體管或二極管對，利用差分信號來抑制共模誤差，從而降低溫漂。例如，內(nèi)容Y（概念性描述）所示結(jié)構(gòu)，將兩個NTC二極管以交叉耦合的方式置于放大器的輸入端，其產(chǎn)生的電壓差包含了雙倍的帶隙電壓項及對NTC的補償，同時差分放大器本身也能放大并補償共模失調(diào)誤差。這類電路理論上具有更好的匹配抑制能力，但電路分析更為復(fù)雜。增量式基準(zhǔn)(IncrementalBandgapReference)增量式基準(zhǔn)技術(shù)的思路略有不同，它不以一次性生成完整的帶隙電壓為目標(biāo)，而是計算基準(zhǔn)電壓相對于理想帶隙電壓的變化量（“delta-V”）。通過一個閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，電路會不斷地檢測輸出基準(zhǔn)電壓與預(yù)先設(shè)定的、基于理想帶隙公式計算出的目標(biāo)電壓之間的差異，然后動態(tài)地調(diào)整補償電壓（通常來自一個精密的積分電容），以強制輸出電壓趨向于理想帶隙值。這種方法對器件參數(shù)失配不敏感，因為閉環(huán)系統(tǒng)會自動校正大部分失配引入的誤差項，包括二極管的NTC等。其結(jié)構(gòu)通常包含運算放大器、參考電壓源（可由額外的帶隙節(jié)點提供或與帶隙內(nèi)核共享）、電流源、以及積分電容等元件。關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)計考量近年來，基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究在以下幾個方向持續(xù)深入：高精度電流源設(shè)計：電流源的精度和溫度穩(wěn)定性對最終基準(zhǔn)電壓至關(guān)重要。研究致力于設(shè)計低TCR、高PSRR（電源抑制比）的電流源。低溫漂電阻技術(shù)：精密金屬膜電阻等低TCR電阻的選用或集成對抑制電路的TCR影響至關(guān)重要。工藝角容差設(shè)計（PDKT）：由于制造過程引入的隨機失配，優(yōu)化電路設(shè)計，使其對不同工藝角下的失配不敏感（RobustDesign），成為提高成品率的關(guān)鍵。低噪聲設(shè)計：尤其在射頻、醫(yī)療等低功耗、高精度應(yīng)用領(lǐng)域，降低基準(zhǔn)電路的噪聲是重要研究方向?？缙脚_/跨標(biāo)準(zhǔn)集成：如何在CMOS、SiGeBiCMOS、GaN等不同工藝平臺上實現(xiàn)高性能低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)電路，是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的問題。通過對電路結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和關(guān)鍵元件特性的優(yōu)化，基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)能夠在精密電源、醫(yī)療電子、通信設(shè)備等領(lǐng)域提供非常有競爭力的解決方案，其核心優(yōu)勢在于能夠有效補償半導(dǎo)體器件的固有NTC特性，并具有較強的抗失配能力。3.1精密溫度傳感器設(shè)計在基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)中，精密溫度傳感器設(shè)計是核心組成部分之一。該部分的主要目標(biāo)是實現(xiàn)高精度的溫度感知與轉(zhuǎn)換，為后續(xù)帶隙基準(zhǔn)電壓提供參考。精密溫度傳感器設(shè)計涉及多個方面，包括傳感器結(jié)構(gòu)的選擇、材料的應(yīng)用、信號的轉(zhuǎn)換與處理等。（1）傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計為確保較高的測量精度與穩(wěn)定性，精密溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括熱敏電阻、熱偶電阻以及集成溫度感應(yīng)器等。這些結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求來決定，確保其能夠在寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的線性響應(yīng)。此外為提高可靠性并降低外界因素對溫度測量的干擾，設(shè)計時還需充分考慮結(jié)構(gòu)材料的熱隔離與熱穩(wěn)定性。（2）材料選擇與性能優(yōu)化材料的選擇直接影響傳感器的性能與可靠性，針對低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)中的溫度傳感器設(shè)計，應(yīng)選擇具有優(yōu)良熱敏特性和穩(wěn)定性的材料。此外通過材料摻雜、薄膜制備等技術(shù)手段，可以進一步優(yōu)化材料的性能，提高傳感器的測量精度和響應(yīng)速度。（3）信號轉(zhuǎn)換與處理精密溫度傳感器需要將感知到的溫度轉(zhuǎn)換為可處理的電信號，因此信號轉(zhuǎn)換與處理電路的設(shè)計同樣重要。為了提高轉(zhuǎn)換的精確性和效率，通常會采用特定的信號處理技術(shù)和算法。例如，通過高精度放大器進行信號放大，通過濾波器濾除噪聲干擾，并利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便于后續(xù)處理和分析。同時為保證在不同溫度條件下的性能一致性，設(shè)計時還需充分考慮信號的線性度和穩(wěn)定性。表格與公式：為更直觀地展示相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，可以在本部分適當(dāng)此處省略表格和公式。例如，可以列出不同溫度下的傳感器性能參數(shù)對比表，或者給出傳感器輸出的電信號與溫度之間的轉(zhuǎn)換公式等。這些內(nèi)容和形式有助于更深入地理解和分析精密溫度傳感器設(shè)計的性能特點和技術(shù)細(xì)節(jié)。精密溫度傳感器設(shè)計是基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇和性能優(yōu)化以及信號轉(zhuǎn)換與處理等方面，可以實現(xiàn)高精度的溫度感知與轉(zhuǎn)換，為后續(xù)帶隙基準(zhǔn)電壓提供參考。3.1.1二極管溫度傳感器原理二極管溫度傳感器是一種基于半導(dǎo)體二極管特性變化的溫度測量器件。其工作原理主要依賴于二極管的伏安特性以及溫度對半導(dǎo)體材料的影響。?二極管伏安特性對于一個理想的二極管，其伏安特性曲線呈開口向上的拋物線形狀。在正向?qū)▍^(qū)，隨著反向電壓的增加，電流逐漸增大；當(dāng)反向電壓達到一定值后，二極管將不再導(dǎo)通，此時反向電流急劇增加。在反向?qū)▍^(qū)，隨著正向電壓的增加，反向電流逐漸減小。在高溫下，二極管的電阻率會發(fā)生變化，這會影響其伏安特性。具體來說，隨著溫度的升高，二極管的電阻率會增加，從而改變其伏安特性曲線的形狀。?溫度對半導(dǎo)體材料的影響溫度對半導(dǎo)體材料的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：電阻率變化：隨著溫度的升高，半導(dǎo)體的電阻率通常會增大。這是因為高溫會導(dǎo)致半導(dǎo)體中的載流子（電子和空穴）數(shù)量增多，從而增加了電阻。遷移率變化：溫度升高還會導(dǎo)致半導(dǎo)體中載流子的遷移率增加。這意味著在相同的電壓下，載流子移動的速度加快，從而導(dǎo)致電流增大。能帶結(jié)構(gòu)變化：高溫還會引起半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的變化。例如，在硅材料中，高溫會導(dǎo)致價帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，從而增加導(dǎo)電性。?二極管溫度傳感器的應(yīng)用基于上述原理，二極管溫度傳感器可以通過測量二極管的電壓和電流來推算出溫度。具體實現(xiàn)方法包括：線性化技術(shù)：通過校準(zhǔn)和線性化處理，將二極管的非線性伏安特性曲線轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系，從而提高溫度測量的準(zhǔn)確性。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）：將二極管的電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。溫度范圍選擇：根據(jù)實際應(yīng)用需求，選擇合適的溫度測量范圍和精度。在實際應(yīng)用中，二極管溫度傳感器具有響應(yīng)速度快、測量范圍廣、可靠性高等優(yōu)點。此外由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，因此在工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測、家用電器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。溫度范圍測量精度-50℃~+175℃±2℃~±5℃-100℃~+250℃±5℃~±10℃-200℃~+350℃±10℃~±20℃需要注意的是二極管溫度傳感器的性能受到制造工藝、材料純度、工作環(huán)境等多種因素的影響。因此在實際應(yīng)用中需要進行充分的測試和驗證，以確保其滿足特定的測量要求。3.1.2BJT溫度傳感器原理雙極結(jié)型晶體管（BJT）作為溫度傳感器的核心器件，其工作原理基于半導(dǎo)體器件的物理特性與溫度的強相關(guān)性。BJT的基極-發(fā)射極電壓（VBE）和集電極電流（IC）之間的關(guān)系是溫度檢測的基礎(chǔ)，其核心可通過埃伯斯-莫爾模型（Ebers-Moll（1）VBEBJT的VBE在恒定集電極電流下表現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)（NTC），即隨著溫度升高，VV其中VG0為絕對零度時的帶隙電壓（約1.205V），T為絕對溫度，T0為參考溫度（通常為300K），k為玻爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷，IS為飽和電流。在室溫附近，V（2）差分對管的溫度補償為利用BJT的溫度特性實現(xiàn)高精度溫度傳感，常采用差分對管結(jié)構(gòu)（如內(nèi)容所示）。通過將兩個相同BJT（Q1和Q2）的集電極電流設(shè)置為不同比例（如IC和nICΔ由于ΔVBE與熱電壓（VT=kT/q（3）關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)BJT溫度傳感器的性能主要取決于以下參數(shù)：參數(shù)符號典型值范圍影響說明VBEα?決定傳感器的靈敏度差分電壓ΔΔV60～120?mV影響輸出信號的幅值失調(diào)電壓V±引入非線性誤差（4）非線性誤差與優(yōu)化由于VBE與溫度的關(guān)系并非完全線性，BJT溫度傳感器通常存在非線性誤差（通常為±曲率補償技術(shù)：通過引入高階溫度項（如T2工藝校準(zhǔn)：利用激光trimming或數(shù)字校準(zhǔn)修正工藝偏差；結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用折疊式差分結(jié)構(gòu)或動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)提升線性度。BJT溫度傳感器憑借其高靈敏度、低噪聲和易于集成的優(yōu)勢，成為帶隙基準(zhǔn)電路的核心組件。通過合理設(shè)計差分結(jié)構(gòu)和補償電路，可實現(xiàn)高精度、寬溫域的溫度檢測功能。3.1.3CMS溫度傳感器原理CMS（電容式微機械傳感器）技術(shù)是一種基于電容變化來測量溫度的傳感技術(shù)。這種技術(shù)的基本原理是通過在絕緣材料上制造微小的電容元件，當(dāng)這些元件受到溫度的影響時，它們的介電常數(shù)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容值的變化。具體來說，CMS技術(shù)通過在絕緣基板上制造微小的電容元件來實現(xiàn)溫度測量。這些電容元件通常由兩個金屬電極和一個絕緣層組成，當(dāng)溫度升高時，絕緣層的介電常數(shù)會增加，導(dǎo)致電容值減??；反之亦然。因此通過測量電容值的變化，可以間接地獲取溫度信息。為了提高傳感器的性能和精度，通常會采用一些特定的設(shè)計和制造工藝。例如，可以通過優(yōu)化電極的形狀和尺寸來增加電容元件的靈敏度；或者通過使用高介電常數(shù)的材料來減小電容值的變化。此外還可以通過引入其他類型的傳感器來增強系統(tǒng)的綜合性能。CMS技術(shù)是一種基于電容變化的傳感技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。然而其精度和穩(wěn)定性可能受到溫度漂移等因素的影響，因此在實際的應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的需求和條件進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化。3.2帶隙基準(zhǔn)源電路方案帶隙基準(zhǔn)源電路是寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓源設(shè)計的關(guān)鍵組成部分，其核心思想是利用晶體管在不同電流下的電壓差，通過精心設(shè)計的電路結(jié)構(gòu)補償晶體管參數(shù)的溫度漂移，從而實現(xiàn)溫度不敏感性。常見的帶隙基準(zhǔn)源電路方案主要可分為以下幾類：（1）傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源電路傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源電路通常采用雙極結(jié)型晶體管（BJT）構(gòu)建，其基本結(jié)構(gòu)包含一個電流鏡、兩個跨導(dǎo)放大器（跨導(dǎo)-電壓變換器）以及一個差分放大器。電路通過在一個BJT的發(fā)射極和另一個BJT的基極之間設(shè)置一個電壓源，再利用這兩個電壓源的溫度系數(shù)相反的特性來實現(xiàn)補償。典型的電路方案如上所示（此處描述而非展示內(nèi)容片）：電流源Iref跨導(dǎo)放大器Gm1和Gm差分放大器將這兩個信號相減，得到一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vout基準(zhǔn)電壓VoutV其中VA為晶體管的Early電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T為絕對溫度。該表達式表明，通過合理選擇Iref和IC（2）改進型帶隙基準(zhǔn)源電路為了進一步提高帶隙基準(zhǔn)源的精度和穩(wěn)定性，研究者們提出了多種改進型電路方案。這些改進主要圍繞以下幾個方面展開：2.1考慮早期效應(yīng)的改進電路傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源電路假設(shè)BJT的Early效應(yīng)可以忽略不計，但在高溫或高電流情況下，Early效應(yīng)的影響不可忽略。為了補償Early效應(yīng)，可以在電路中引入一個額外的電壓補償項VearlyV其中RE1為發(fā)射極電阻。引入該補償項后，基準(zhǔn)電壓VV該改進電路能夠在寬溫度范圍內(nèi)更精確地補償Early效應(yīng)，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。2.2基于電流鏡的改進電路為了進一步提高電路的精度和穩(wěn)定性，可以采用電流鏡來替代傳統(tǒng)的電阻網(wǎng)絡(luò)。電流鏡具有更高的輸入阻抗和更低的輸出阻抗，能夠更好地抑制噪聲和溫度漂移。典型的改進電路如上所示（此處描述而非展示內(nèi)容片）：電流源Iref電流鏡的輸出電流通過跨導(dǎo)放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號。差分放大器將兩個電壓信號相減，得到一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vout基于電流鏡的改進電路能夠顯著提高基準(zhǔn)電壓的精度和穩(wěn)定性，特別適用于高精度、寬溫度范圍的電壓源應(yīng)用。（3）新型帶隙基準(zhǔn)源電路近年來，隨著半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，研究人員提出了多種新型帶隙基準(zhǔn)源電路方案，這些方案主要利用新型器件和結(jié)構(gòu)來提高電路的性能。例如：3.1跨阻放大器（TIA）基準(zhǔn)源跨阻放大器（TIA）基準(zhǔn)源利用跨阻放大器的高增益特性，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。典型的電路結(jié)構(gòu)如上所示（此處描述而非展示內(nèi)容片）：電流源Iref跨阻放大器的輸出電壓經(jīng)過濾波和放大，得到一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓Vout跨阻放大器基準(zhǔn)源具有高輸入阻抗和低輸出阻抗，能夠更好地抑制噪聲和溫度漂移，適用于高精度應(yīng)用。3.2模擬-數(shù)字混合基準(zhǔn)源模擬-數(shù)字混合基準(zhǔn)源利用數(shù)字電路的精確性和模擬電路的靈活性，通過數(shù)字電路對模擬電路的參數(shù)進行精確校準(zhǔn)，進一步提高基準(zhǔn)電壓的精度和穩(wěn)定性。典型的混合電路結(jié)構(gòu)如上所示（此處描述而非展示內(nèi)容片）：模擬帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)生一個初步的基準(zhǔn)電壓。數(shù)字校準(zhǔn)電路通過測量電路的參數(shù)，對模擬電路進行精確校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的基準(zhǔn)電壓輸出，得到最終的基準(zhǔn)電壓Vout混合基準(zhǔn)源能夠在寬溫度范圍內(nèi)提供極高的精度和穩(wěn)定性，適用于高精度測量和精密電源應(yīng)用。?表格總結(jié)為了方便對比不同帶隙基準(zhǔn)源電路方案的優(yōu)缺點，【表】總結(jié)了常見電路方案的特性：電路方案精度穩(wěn)定性功耗應(yīng)用場景傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源良好良好低廣泛應(yīng)用考慮早期效應(yīng)的改進電路更高更高略高高溫或高電流應(yīng)用基于電流鏡的改進電路更高更高更低高精度應(yīng)用跨阻放大器基準(zhǔn)源高高中等高精度測量模擬-數(shù)字混合基準(zhǔn)源非常高非常高中等極高精度應(yīng)用?結(jié)論帶隙基準(zhǔn)源電路方案的選擇取決于具體的應(yīng)用需求，傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源電路具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低等優(yōu)勢，適用于一般應(yīng)用；改進型帶隙基準(zhǔn)源電路通過引入電流鏡、考慮Early效應(yīng)等方式，能夠進一步提高基準(zhǔn)電壓的精度和穩(wěn)定性；新型帶隙基準(zhǔn)源電路利用新型器件和結(jié)構(gòu)，能夠在極高精度和穩(wěn)定性方面取得更好的性能。在選擇合適的電路方案時，需要綜合考慮精度、穩(wěn)定性、功耗和應(yīng)用場景等因素。3.2.1傳統(tǒng)鏡像電流源傳統(tǒng)的鏡像電流源，作為帶隙基準(zhǔn)電路中的關(guān)鍵組成部分，其核心思想源于電流鏡的原理，通過利用晶體管的電流鏡特性來構(gòu)建具有鏡像特性的電流源。這種電流源的基本結(jié)構(gòu)通常是雙極晶體管（BJT）或場效應(yīng)晶體管（FET）的組合，其設(shè)計宗旨在于保證在輸入端提供一個電流源，使其在輸出端產(chǎn)生一個與輸入電流成精確比例的輸出電流，從而為帶隙基準(zhǔn)電路提供穩(wěn)定且精確的電流基準(zhǔn)。鏡像電流源的設(shè)計通?；谝韵鹿剑篒其中Iout是輸出電流，Iin是輸入電流，而β是晶體管的直流電流增益。在實際應(yīng)用中，為了確保電流的精確鏡像，設(shè)計者通常會選擇β值較大的晶體管，并確保兩個晶體管的然而傳統(tǒng)的鏡像電流源存在一些局限性，特別是在溫度變化時。由于晶體管的β值對溫度敏感，因此鏡像電流源的輸出電流也會隨溫度的變化而波動，這會影響帶隙基準(zhǔn)電路的精度和穩(wěn)定性。為了彌補這一不足，可以在鏡像電流源中加入溫度補償電路，以減小溫度變化對電流輸出的影響?！颈怼空故玖藥追N常見的鏡像電流源設(shè)計及其性能特點?！颈怼砍Ｒ婄R像電流源設(shè)計及其性能特點設(shè)計類型結(jié)構(gòu)簡內(nèi)容精度溫度系數(shù)復(fù)雜度基本電流鏡I高中低恒流源電流鏡I高低中共源共柵電流鏡I非常高非常低高通過對傳統(tǒng)鏡像電流源的深入分析，可以發(fā)現(xiàn)其在設(shè)計上既有其優(yōu)勢，也存在明顯的不足。為了進一步提升帶隙基準(zhǔn)電路的性能，研究者和工程師們不斷探索新的設(shè)計方法和補償策略，以克服傳統(tǒng)鏡像電流源的局限性。3.2.2跨導(dǎo)放大器電流源在半導(dǎo)體工藝技術(shù)中，跨導(dǎo)放大器（TIA）電流源被廣泛應(yīng)用于模擬電路設(shè)計中，尤其是在那些需要高精度電流放大與處理的場合。TIA電流源的技術(shù)研究主要集中在如何實現(xiàn)低噪聲、高穩(wěn)定性和線性的增益特性上?？鐚?dǎo)放大器電流源的研究涉及多個方面，包括電流準(zhǔn)確的產(chǎn)生、電流源功率擺幅（SlewRate）的提升、以及在不同工藝條件下的穩(wěn)定性等。采用跨導(dǎo)放大器設(shè)計的電流源往往具備高輸入阻抗和較低的輸出阻抗特性，使得電路的輸入信號可以保持原有的形狀，而輸出電流則能夠以較低的失真電流通過負(fù)載電阻。在實現(xiàn)跨導(dǎo)放大器電流源時，核心問題是確保超低溫系數(shù)的影響，以便提升了電路在不同環(huán)境溫度下的穩(wěn)定性和可靠性。通過開發(fā)低溫度系數(shù)的跨導(dǎo)放大器，研究人員能夠有效控制電流源的輸出噪聲和漂移現(xiàn)象。對于跨導(dǎo)放大器電流源的設(shè)計研究來說，關(guān)鍵技術(shù)和材料選擇是一項重要工作?？梢酝ㄟ^選擇合適的場效應(yīng)管（MOSFETs）和晶體管（BJTs）來減少溫度對電流源特性的影響，進一步優(yōu)化設(shè)計方案中的帶寬和功耗效率。因此開展跨導(dǎo)放大器電流源的低溫系數(shù)技術(shù)研究，不僅可以直接推動集成電路制造技術(shù)的進步，還可為深空探測、尖端探測和商業(yè)熱成像等領(lǐng)域提供高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的模擬信號處理解決方案。在當(dāng)前半導(dǎo)體技術(shù)快速發(fā)展的背景下，持續(xù)優(yōu)化跨導(dǎo)放大器電流源的技術(shù)成為了確保其曲線跟蹤能力、降低功耗以及提升分析精度的重要途徑。3.2.3鎖相環(huán)基準(zhǔn)源鎖相環(huán)基準(zhǔn)源（Phase-LockedLoopbasedVoltageStandard,PLPV）作為基于低溫系數(shù)特性的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的一種重要實現(xiàn)形式，其核心原理在于通過鎖相環(huán)（Phase-LockedLoop,PLL）的相位鎖定機制，實現(xiàn)對精密振蕩器的頻率抑制與跟蹤，進而穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓的輸出。此類基準(zhǔn)源利用低溫環(huán)境（通常為液氮溫度或更低溫）下半導(dǎo)體器件參數(shù)的穩(wěn)定性，特別是帶隙電壓的溫度系數(shù)趨近于零的特性，從而構(gòu)建出低溫度漂移的基準(zhǔn)源。PLLV的工作流程大致如下：首先，一個具有陡峭負(fù)溫度系數(shù)的晶體振蕩器（CrystalOscillator,XO）作為頻率參考，其頻率在低溫下表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性。該振蕩器的信號被送入鎖相環(huán)的壓控振蕩器（Voltage-ControlledOscillator,VCO）進行放大和畸變，同時一部分信號作為相位比較的輸入。鎖相環(huán)通過相位探測器（PhaseDetector,PD）對輸入信號與VCO輸出信號之間的相位差進行檢測，并將其轉(zhuǎn)換成誤差信號，該誤差信號經(jīng)過低通濾波器（LowPassFilter,LPF）濾除高頻噪聲后，用以調(diào)整VCO的控制電壓。通過持續(xù)相位鎖定，VCO的輸出頻率被鎖定在晶體振蕩器的頻率上，從而獲得一個頻率穩(wěn)定度極高的時鐘信號。為了生成精確的基準(zhǔn)電壓，該頻率穩(wěn)定的時鐘信號被用于驅(qū)動一個或多個DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）或計數(shù)器電路，將頻率信息線性地轉(zhuǎn)換為電壓或基準(zhǔn)電流。在這個過程中，帶隙基準(zhǔn)單元被集成進來，通常是利用兩個不同材料禁帶寬度晶體管的BEU電壓差與Vbe的線性組合，構(gòu)建出一種溫度系數(shù)為負(fù)的基準(zhǔn)電壓。這個帶隙電壓再與由頻率和DAC（或計數(shù)器）解析得到的目標(biāo)電壓進行嚴(yán)格匹配或通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)進行分壓、調(diào)整，最終輸出所需精度的基準(zhǔn)電壓。低溫環(huán)境的應(yīng)用使得這些電路的靜態(tài)工作點和溫度特性得到優(yōu)化，進一步降低了溫度依賴性。為了更直觀地體現(xiàn)鎖相環(huán)基準(zhǔn)源的頻率穩(wěn)定性能，【表】給出了典型低溫鎖相環(huán)基準(zhǔn)源在不同溫度下的頻率漂移特性：【表】典型低溫鎖相環(huán)基準(zhǔn)源頻率漂移特性（單位：pH/℃）溫度(℃)頻率漂移(pH)-196100-150200-1003000400此外鎖相環(huán)基準(zhǔn)源的性能也受到鎖相環(huán)本身參數(shù)的影響，例如環(huán)路帶寬（LoopBandwidth）、增益（LoopGain）等。通過優(yōu)化鎖相環(huán)參數(shù)，可進一步降低由于溫度變化引起的相位噪聲，進而提升基準(zhǔn)源的整體精度。鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)可近似表示為：H其中K為環(huán)路增益，T為濾波器時間常數(shù)，ωn總結(jié)而言，鎖相環(huán)基準(zhǔn)源憑借其利用低溫系數(shù)特點實現(xiàn)高精度、低漂移基準(zhǔn)電壓輸出的優(yōu)勢，在低溫精密測量、量子計算、高精度時頻同步等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進步，其在實際應(yīng)用中的性能和可靠性還將持續(xù)提升。3.3關(guān)鍵器件研究進展在低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的研究體系中，核心器件的性能及其在極端溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性起著決定性作用。近年來，圍繞傳感器元件、補償網(wǎng)絡(luò)以及溫度補償機制等關(guān)鍵構(gòu)成，研究工作取得了顯著進展。這些進展為構(gòu)建高精度、高穩(wěn)定性的低溫系數(shù)基準(zhǔn)提供了堅實的器件基礎(chǔ)。（1）熱敏電阻與參考溫度傳感器作為溫度敏感的核心元件，熱敏電阻（RTD）和專門設(shè)計的參考溫度傳感器是提取基準(zhǔn)電壓溫度系數(shù)的關(guān)鍵。目前，常用的有鉑電阻溫度計（RTD，通常指鉑電阻溫度計PT100或PT1000）和碳基、錳基等半導(dǎo)體熱敏電阻。鉑電阻溫度計具有線性度相對較好、在broad溫度范圍內(nèi)（尤其是0-100K°）阻值漂移較小（即具有較小的低溫系數(shù)α，約3.85×10?3Ω/°C）等優(yōu)點，但其低溫段（低于約100K°）的精度和穩(wěn)定性仍有提升空間。最新研究傾向于采用高純鉑絲通過特殊工藝（如厚膜打印、晶體生長等）制備傳感器，以期在低溫區(qū)獲得更優(yōu)異的晶格振動（phonon）和電子（electron）散射特性匹配度，從而進一步減小自發(fā)熱效應(yīng)和非晶格散射帶來的誤差，改善其低溫下的低溫系數(shù)表現(xiàn)。公式（3.1）定性描述了熱敏電阻的電阻值R與溫度T的關(guān)系：R(T)=R?[1+α(T-T?)+β(T-T?)2+…](3.1)其中R?是參考溫度T?下的電阻值，α是一級低溫系數(shù)，β是二級低溫系數(shù)，對于鉑電阻，α通常占主導(dǎo)。研究也探索了基于新材料（如硅SI）和納米結(jié)構(gòu)（如碳納米管CNTs、量子點等）的低溫傳感器，它們有望在特定低溫區(qū)展現(xiàn)出與鉑材料不同的傳感特性和更低的溫度系數(shù)，但仍在研發(fā)和驗證階段，尤其是在長期穩(wěn)定性和封裝工藝方面面臨挑戰(zhàn)。（2）固態(tài)熱電偶與溫差發(fā)電器（TEG）固態(tài)熱電偶和溫差發(fā)電器（TEG，也稱熱電模塊）近年來在提供可測量、可補償?shù)膮⒖紲囟确矫嬲宫F(xiàn)出潛力。它們基于塞貝克效應(yīng)工作，可以直接將兩個不同溫度節(jié)點的電勢差與溫差關(guān)聯(lián)起來。相比于依賴電阻值變化的傳感器，其輸出是電壓信號，理論上對引線電阻誤差不敏感，測量相對直接。研究重點在于提高熱電優(yōu)值因子（ZT=(α2σ/κ)T），其中α是塞貝克系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，κ是熱導(dǎo)率。通過優(yōu)化材料組分（如Bi?Te?,Sb?Te?基合金）、器件結(jié)構(gòu)和幾何形狀，研究人員致力于在低溫區(qū)（例如77K以下）實現(xiàn)更高的輸出電壓和更小的熱漏，以提供穩(wěn)定、精確的參考溫度。例如，一種改進的鉍系熱電偶組件可通過精密設(shè)計少子器件結(jié)構(gòu)，顯著降低其塞貝克電壓的溫度依賴性，引入一個低得多的、甚至負(fù)的低溫溫度系數(shù)，為實現(xiàn)自補償或準(zhǔn)零溫度系數(shù)輸出提供了可能。然而其長期穩(wěn)定性、抗輻射性能以及標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的一致性仍是需要解決的關(guān)鍵問題。（3）高精度、低溫特性運算放大器為了精確放大熱敏電阻或溫差發(fā)電器產(chǎn)生的微弱信號，并構(gòu)建包含溫度補償功能的模擬電路，高精度、低漂移、且本身具有優(yōu)異低溫特性的運算放大器是不可或缺的關(guān)鍵器件。理想的低溫基準(zhǔn)電路所用運放應(yīng)滿足：①極低的輸入失調(diào)電壓及其溫漂（preferably實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓和絕對溫度的抑制）；②極低的開環(huán)增益溫度系數(shù)；③在目標(biāo)低溫范圍內(nèi)的極小供電電壓抑制效應(yīng)（PowerSupplyRejectionRatio,PSRR-T）。目前，針對極低溫應(yīng)用（如液氮溫度77K以下甚至更低溫）設(shè)計的高性能運放（如基于超結(jié)結(jié)構(gòu)或特殊低噪聲CMOS工藝的器件）仍在發(fā)展中。文獻[Reference_X]和[Reference_Y]報道了采用特定低溫CMOS工藝（如低溫多晶硅柵極技術(shù)）制造的運算放大器，在液氮溫區(qū)展現(xiàn)出比標(biāo)準(zhǔn)工藝器件更小的失調(diào)電壓溫漂和更低的噪聲。同時為直接構(gòu)建零溫度系數(shù)（ZTC）基準(zhǔn)電壓源，類似BJT的跨導(dǎo)運算放大器結(jié)構(gòu)，通過將熱敏電阻的非線性溫度特性轉(zhuǎn)化為對電流源的精確控制，也被研究應(yīng)用于低溫環(huán)境。此外用于構(gòu)建精密測溫或基準(zhǔn)電路的精密基準(zhǔn)電壓源、低溫漂電容、低溫特性電阻網(wǎng)絡(luò)等，同樣是實現(xiàn)高低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的基石。這些器件的低溫特性和長期穩(wěn)定性直接決定了整個基準(zhǔn)系統(tǒng)的性能上限。未來研究將持續(xù)關(guān)注新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝在關(guān)鍵器件中的應(yīng)用，以推動低溫系數(shù)帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的進一步發(fā)展。?總結(jié)【表】：典型關(guān)鍵器件低溫性能指標(biāo)對比器件類型目標(biāo)工作溫度范圍(K)低溫系數(shù)(<100K)主要優(yōu)勢主要挑戰(zhàn)鉑電阻溫度計(PT100)0-300+~3.85×10?3/°C線性好，穩(wěn)定性高低溫區(qū)精度、自熱效應(yīng)、成本較高新材料熱敏電阻0-300+待定可能具有更優(yōu)低溫傳感特性長期穩(wěn)定性、封裝工藝、標(biāo)準(zhǔn)化固態(tài)熱電偶/TEG0-300+待定(ZTC可能)電壓輸出，引線電阻影響小熱電優(yōu)值ZT低，熱漏，長期穩(wěn)定性，一致性特殊低溫運放77K/4K極低(<0.1ppm/°C)低漂移，低噪聲，低失調(diào)溫漂成本，特定低溫工藝，極端溫度下的穩(wěn)定性精密低溫阻容元件77K/4K極低構(gòu)建精密模擬電路制造公差，長期穩(wěn)定性，低溫寄生參數(shù)注意：表內(nèi)“待定”表示該性能尚在研究或優(yōu)化中，具體數(shù)值取決于材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。ZTC表示ZeroTemperatureCoefficient，零溫度系數(shù)。3.3.1精密基準(zhǔn)電壓源在基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的實現(xiàn)過程中，一個高精度的基準(zhǔn)電壓源是核心組成部分，其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和低溫特性直接決定了整個基準(zhǔn)電路的性能。精密基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計目標(biāo)是提供一個非常穩(wěn)定且受溫度影響極小的電壓參考。通常，這一目標(biāo)是通過精心設(shè)計的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如帶隙基準(zhǔn)電路本身，并結(jié)合優(yōu)化的晶體管匹配、低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）等技術(shù)手段來實現(xiàn)的。理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)具備零溫度系數(shù)（ZeroTemperatureCoefficient,ZTC）特性。然而僅依靠簡單的電流鏡和電阻分壓難以完全達到這一目標(biāo)，帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的核心思想在于產(chǎn)生一個電壓，該電壓由一個與絕對溫度成比例的電壓項（通常源于tiefsttemperaturenmeter晶體管結(jié)電壓Vbe的依賴性）和一個與溫度無關(guān)的電壓項（通常由電阻壓降或另外設(shè)計的固定電壓源貢獻）相結(jié)合而成。為了獲得更低的溫度系數(shù)，設(shè)計者會引入精密的電流源來驅(qū)動關(guān)鍵的有源器件，以減小電阻值隨溫度變化帶來的影響。實現(xiàn)精密基準(zhǔn)電壓的關(guān)鍵在于選用低溫漂移的元件，尤其是高質(zhì)量的模擬晶體管。晶體管的匹配精度對于減小電路的溫度漂移至關(guān)重要，現(xiàn)代工藝通常提供具有優(yōu)良匹配特性的薄膜晶體管或化合物半導(dǎo)體器件，有助于提升基準(zhǔn)電壓的短期和長期穩(wěn)定性。此外采用浮地（cascode）結(jié)構(gòu)或差分架構(gòu)可以有效抑制器件參數(shù)的不匹配和噪聲對基準(zhǔn)電壓精度的影響。為了進一步提升精度和穩(wěn)定性，現(xiàn)代基準(zhǔn)電壓源常集成片上低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）。LDO可以提供一個干凈、低噪聲的輸出，并有助于穩(wěn)定內(nèi)部電路的工作電壓，從而減少電源噪聲和電源抑制比（PSRR）對基準(zhǔn)電壓的影響。這通常通過在基準(zhǔn)電路的輸出端或關(guān)鍵節(jié)點后放置一個或多個LDO來實現(xiàn)在低壓差下高效穩(wěn)壓。【表】比較了幾種不同類型的基準(zhǔn)電壓源特性：特性指標(biāo)簡單電阻分壓早期帶隙基準(zhǔn)先進帶隙基準(zhǔn)(含LDO)低溫系數(shù)基準(zhǔn)(特殊工藝)溫度系數(shù)(TCV)(ppm/°C)較高低至中等極低非常低功耗(μA/MW)低中等較高變化，視工藝精度(mV)中等良好極高非常高PSRR低中等高高動態(tài)范圍受分壓比限制較寬寬較寬注：TCV為TemperatureCoefficientofVoltage一個先進的精密基準(zhǔn)電壓源電路實例可以表示為：其核心輸出電壓Vref可以近似表示為：Vref≈Vbe1+(Vbe2-Vbe1)(R1+R2)/R2(通常簡化為Vref≈Vbe(R1+R2)/R2)其中Vbe1和Vbe2分別是兩個相同型號晶體管(Q1,Q2)的基極-發(fā)射極電壓。在帶隙設(shè)計中，通過精心選擇R1,R2以及晶體管的偏置電流，可以使得Vref在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出接近零溫度系數(shù)的特性。進一步地，引入電流源Iref來同時偏置基準(zhǔn)電路的不同部分（如Q1的基極電流和Q3,Q4的偏置），可以減小受溫度變化影響較大的電阻R1和R2的值，從而降低基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)。理想情況下，若Vbe電壓與溫度呈線性關(guān)系，且電阻比值僅由器件結(jié)構(gòu)決定，則輸出電壓Vref可實現(xiàn)零溫度系數(shù)。【公式】簡化形式下帶隙基準(zhǔn)電壓源表達式：Vref≈VTln(Iref/Ib)'+AVG其中：VT為熱電壓，VT=kT/q(k:波爾茲曼常數(shù),T:絕對溫度,q:電子電荷)。Iref為參考電流。Ib'為與Iref相關(guān)的偏置電流。AVG為一個與溫度近似無關(guān)的電壓。【公式】帶隙基準(zhǔn)電壓源的直流溫度系數(shù)表達式（概念性）：TCV/V=-[(παR1)/(1+β)]/Vref其中α,β為晶體管參數(shù)，π為理想因子。為了將基準(zhǔn)電壓源性能推向極致，特別是在低溫應(yīng)用中，設(shè)計者會考慮采用特殊的半導(dǎo)體工藝，如高晶體管遷移率的化合物半導(dǎo)體（如硅鍺SiGe）或利用特定低溫系數(shù)物理現(xiàn)象的新型器件結(jié)構(gòu)。這些特殊設(shè)計能夠顯著提升基準(zhǔn)電壓源的長期穩(wěn)定性和極端溫度下的可靠性。精密基準(zhǔn)電壓源是帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的關(guān)鍵，其設(shè)計融合了多種模擬電路技術(shù)，需要仔細(xì)權(quán)衡精度、穩(wěn)定性、功耗和成本。通過集成電路設(shè)計、器件選擇、拓?fù)鋬?yōu)化以及可能的片上穩(wěn)壓器集成，可以制造出滿足嚴(yán)格低溫應(yīng)用的精確電壓基準(zhǔn)。3.3.2高精度穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路是指一種能夠提供穩(wěn)定電壓的電源電路，其應(yīng)用范圍廣泛，特別在電力電子設(shè)備中的電池管理、集成電路、電子測量儀器等領(lǐng)域更是不可或缺。為了提升電路的穩(wěn)定性和精度，研究者們不斷探索和優(yōu)化電路設(shè)計。以下是對幾種經(jīng)典高精度穩(wěn)壓電路的論述。首先當(dāng)電路需要實現(xiàn)非常小的電源電壓的輸出時，通常采用低輸出電流的串聯(lián)型穩(wěn)壓器。這類電路輸出的電源電壓取決于基準(zhǔn)電壓的值與被調(diào)定的分壓器之間的差值。其高效能和高穩(wěn)定性使其在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，而且它對溫度變化具有較好的抑制能力，減少了外界環(huán)境的擾動對電源輸出電壓精度的影響。接下來負(fù)反饋型穩(wěn)壓器是一種采用反饋技術(shù)以提高輸出電壓穩(wěn)定性的電路設(shè)計。與串聯(lián)型穩(wěn)壓器不同，這類電路通過引入電阻或電感元件，同步調(diào)節(jié)輸入電壓與輸出電壓，從而實現(xiàn)穩(wěn)定。但它的設(shè)計復(fù)雜度較高，需要精確的調(diào)整各項元件參數(shù)，否則可能影響電壓的準(zhǔn)確度。再者分段型穩(wěn)壓器則是結(jié)合前兩種電路的優(yōu)勢，通過分段調(diào)節(jié)輸出電壓實現(xiàn)不同狀態(tài)下所需穩(wěn)定度的理想變化。這類電路多應(yīng)用于變動負(fù)載需求嚴(yán)苛的場合，如負(fù)載電流隨溫度變化的片上系統(tǒng)供電。然而其較大的電路占板面積及較低的電路穩(wěn)定性會限制其應(yīng)用范圍。在此基礎(chǔ)上，近年興起的低功耗設(shè)計是另一個值得關(guān)注的趨勢。設(shè)計者們在實現(xiàn)高電壓穩(wěn)定度的同時控制功耗需求，這不僅對電路的設(shè)計水平提出了新要求，也體現(xiàn)了解決能效問題的重要性?？偨Y(jié)以上成熟的穩(wěn)壓電路技術(shù)不外乎都基于選擇適當(dāng)?shù)脑?、利用恰?dāng)?shù)碾妼W(xué)原理、結(jié)合有效的反饋及控制機制。隨著技術(shù)迭代，新的設(shè)計方案與仿真工具的應(yīng)用正不斷為此類研究注入新的活力和挑戰(zhàn)。3.3.3新型半導(dǎo)體材料應(yīng)用隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，新型半導(dǎo)體材料在帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。這些材料不僅在傳統(tǒng)半導(dǎo)體基礎(chǔ)上實現(xiàn)了性能的提升，更為帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的創(chuàng)新提供了廣闊空間。例如，III-V族半導(dǎo)體材料鍺鐿（YGe）和鋁鎵砷（AlGaAs）因其獨特的能帶結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)率，成為低溫環(huán)境下帶隙測量的理想選擇。此外IV族半導(dǎo)體材料如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），憑借其寬的帶隙和耐高溫特性，在高溫帶隙基準(zhǔn)技術(shù)中表現(xiàn)出色。新型半導(dǎo)體材料的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在材料本身的特性上，還體現(xiàn)在其與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)合上。例如，通過摻雜或異質(zhì)結(jié)構(gòu)建新型半導(dǎo)體器件，可以有效改善帶隙基準(zhǔn)的穩(wěn)定性和精度?！颈怼空故玖藥追N新型半導(dǎo)體材料的帶隙和熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，從中可以看出，這些材料在帶隙和熱導(dǎo)率方面具有顯著優(yōu)勢?！颈怼啃滦桶雽?dǎo)體材料的帶隙和熱導(dǎo)率材料名稱帶隙（eV）熱導(dǎo)率（W·m?1·K?1）鍺鐿（YGe）0.720.15鋁鎵砷（AlGaAs）1.420.50碳化硅（SiC）3.26150.0氮化鎵（GaN）3.39130.0此外通過理論計算和實驗驗證，我們可以發(fā)現(xiàn)，新型半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)與其溫度系數(shù)（TCR）之間存在著密切的關(guān)系。例如，公式（1）展示了能帶結(jié)構(gòu)對溫度系數(shù)的影響：TCR其中Eg表示帶隙能量，T新型半導(dǎo)體材料在帶隙基準(zhǔn)技術(shù)中的應(yīng)用前景廣闊，隨著研究的不斷深入，這些材料將在提高帶隙基準(zhǔn)的精度和穩(wěn)定性方面發(fā)揮越來越重要的作用。3.4低溫系數(shù)補償技術(shù)在帶隙基準(zhǔn)技術(shù)中，低溫系數(shù)補償技術(shù)是為了確?；鶞?zhǔn)電壓在低溫條件下保持穩(wěn)定而采取的一種重要手段。由于溫度的變化會影響半導(dǎo)體器件的能帶結(jié)構(gòu)，進而影響基準(zhǔn)電壓的精度和穩(wěn)定性，因此低溫系數(shù)補償技術(shù)的引入對于提高帶隙基準(zhǔn)的精確度至關(guān)重要。以下是關(guān)于低溫系數(shù)補償技術(shù)的詳細(xì)討論。（一）低溫系數(shù)補償技術(shù)概述：低溫系數(shù)補償技術(shù)主要是通過調(diào)整電路參數(shù)或引入額外的補償機制來減小溫度對基準(zhǔn)電壓的影響。這種技術(shù)通常結(jié)合了模擬和數(shù)字處理的方法，通過精確控制電流和電壓的分配，實現(xiàn)對溫度系數(shù)的有效補償。（二）主要方法：電流模式補償：通過調(diào)整電流的大小和分配，抵消溫度變化引起的電壓偏移。這種方法需要精確控制電流源，確保在不同溫度下電流的恒定。電壓模式補償：引入額外的電壓，與基準(zhǔn)電壓相結(jié)合，以抵消溫度的影響。這種方法通常利用半導(dǎo)體器件的特定物理特性，如亞閾值效應(yīng)或隧道效應(yīng)。（三）電路實現(xiàn)：低溫系數(shù)補償技術(shù)在電路實現(xiàn)上需要結(jié)合具體的工藝和器件特性。例如，使用適當(dāng)?shù)碾娮?、電容和晶體管配置，結(jié)合反饋和控制環(huán)路，實現(xiàn)精確的電壓和電流控制。此外還需要考慮電路的布局和布線，以減少寄生效應(yīng)對補償效果的影響。（四）性能評估參數(shù)：評估低溫系數(shù)補償技術(shù)的效果主要通過以下幾個參數(shù)：基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)、電源電壓抑制比、電源電流等。這些參數(shù)能夠反映補償技術(shù)在不同條件下的性能表現(xiàn)，此外電路的噪聲性能和功耗也是需要考慮的重要因素。表格或公式可用來直觀展示性能數(shù)據(jù)，具體數(shù)值示例如下表所示：參數(shù)名稱符號描述典型值（示例）單位來源參考溫度范圍重要說明3.4.1寄生參數(shù)影響分析在對基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)進行研究時，寄生參數(shù)的影響不容忽視。寄生參數(shù)主要指電路中與主電路相互作用的附加元件產(chǎn)生的影響，這些影響可能會導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)值的偏差。本節(jié)將對寄生參數(shù)的影響進行詳細(xì)分析。首先我們需要了解寄生參數(shù)的主要成分，包括電容、電感和電阻等。這些寄生參數(shù)與主電路中的元件相互作用，可能導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)值的降低或升高。例如，電容的寄生電容可能會使帶隙基準(zhǔn)值減小，而電感的寄生電感可能會使帶隙基準(zhǔn)值增大。為了量化寄生參數(shù)的影響，我們可以采用網(wǎng)絡(luò)分析儀對電路進行仿真。通過測量不同頻率的信號輸入和輸出，可以計算出寄生參數(shù)的實部、虛部、模值和相位角。這些數(shù)據(jù)可以幫助我們更好地理解寄生參數(shù)對帶隙基準(zhǔn)值的影響程度。此外我們還可以利用電路理論對寄生參數(shù)的影響進行分析，例如，可以通過調(diào)整電路中的元件值、布局和連接方式等手段，來減小寄生參數(shù)對帶隙基準(zhǔn)值的影響。同時我們還可以利用優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群算法等，來尋找最優(yōu)的電路設(shè)計方案，以減小寄生參數(shù)的影響。在基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)研究中，寄生參數(shù)的影響是一個重要的考慮因素。通過對寄生參數(shù)的深入研究，我們可以更好地理解其對帶隙基準(zhǔn)值的影響程度，并采取相應(yīng)的措施來減小這種影響，從而提高帶隙基準(zhǔn)技術(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。3.4.2溫度漂移校正方法為提升帶隙基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性，研究人員提出了多種溫度漂移校正方法，這些方法的核心在于通過補償技術(shù)抵消或削弱基準(zhǔn)電壓中與溫度相關(guān)的非線性誤差。本節(jié)將從分段補償、非線性校正、數(shù)字輔助校正及動態(tài)校準(zhǔn)四個方面展開論述。分段補償技術(shù)分段補償技術(shù)將溫度范圍劃分為若干區(qū)間，每個區(qū)間采用不同的校正策略。例如，通過多組加權(quán)電阻或電流源組合，在不同溫度區(qū)間內(nèi)調(diào)整基準(zhǔn)電壓的斜率，以逼近理想零溫度系數(shù)點。該方法的優(yōu)勢在于實現(xiàn)簡單，但分段數(shù)量增加會導(dǎo)致電路復(fù)雜度上升?！颈怼繉Ρ攘瞬煌侄螖?shù)量的性能指標(biāo)。?【表】分段補償技術(shù)性能對比分段數(shù)量溫度范圍（℃）最大溫漂（ppm/℃）電路面積（相對值）2-40~125151.04-40~12581.58-40~12532.2非線性校正方法帶隙基準(zhǔn)的溫漂特性通常呈現(xiàn)非線性，因此需引入非線性校正環(huán)節(jié)。典型方法包括：指數(shù)補償法：利用BJT的指數(shù)電流-電壓關(guān)系，通過電阻網(wǎng)絡(luò)生成與溫度平方項成正比的補償電流，其表達式為：I其中K為工藝相關(guān)常數(shù)。曲率校正技術(shù)：通過輔助電路（如亞閾值MOSFET或反向擊穿二極管）引入與溫度高次項相關(guān)的電壓分量，抵消基準(zhǔn)電壓的曲率誤差。例如，某研究中采用雙曲率校正后，在-40~125℃范圍內(nèi)的溫漂降至5ppm/℃以下。數(shù)字輔助校正隨著數(shù)字電路的發(fā)展，數(shù)字輔助校正方法逐漸成為研究熱點。其基本原理是：通過ADC采集基準(zhǔn)電壓的溫度特性數(shù)據(jù)，經(jīng)DSP算法處理后生成數(shù)字補償碼，再通過DAC調(diào)整模擬電路的偏置條件。該方法的優(yōu)勢在于靈活性高，可動態(tài)適應(yīng)工藝偏差，但會增加系統(tǒng)功耗和延遲。動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)通過實時監(jiān)測基準(zhǔn)電壓的溫度漂移，并反饋調(diào)整關(guān)鍵元件參數(shù)。例如，采用鎖相環(huán)（PLL）或sigma-delta調(diào)制器控制電阻網(wǎng)絡(luò)的等效阻值，使基準(zhǔn)電壓始終鎖定在零溫度系數(shù)點。某文獻提出了一種基于自適應(yīng)控制的動態(tài)校準(zhǔn)方案，在-55~150℃范圍內(nèi)實現(xiàn)了±0.5mV的電壓波動。溫度漂移校正方法需根據(jù)應(yīng)用場景的精度、功耗及成本需求進行選擇。未來研究可進一步探索模擬與數(shù)字混合校正架構(gòu)，以兼顧高性能與低復(fù)雜度。3.4.3組件級溫度補償設(shè)計在低溫環(huán)境下，半導(dǎo)體器件的性能會受到顯著影響。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，組件級溫度補償設(shè)計成為了關(guān)鍵。以下將詳細(xì)介紹該設(shè)計方法及其應(yīng)用。首先組件級溫度補償設(shè)計的目標(biāo)是通過調(diào)整組件參數(shù)來補償由于環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的性能下降。這包括對電阻、電容等基本電子元件的精確測量和調(diào)整，以確保它們在低溫條件下仍能正常工作。其次組件級溫度補償設(shè)計通常采用以下幾種方法：熱敏電阻法：利用熱敏電阻的電阻值隨溫度變化的特性，通過測量并調(diào)整熱敏電阻的阻值來實現(xiàn)溫度補償。這種方法簡單易行，但需要精確控制熱敏電阻的溫度特性。熱電偶法：利用熱電偶的電壓輸出與溫度之間的關(guān)系，通過測量并調(diào)整熱電偶的輸出電壓來實現(xiàn)溫度補償。這種方法精度高，但需要復(fù)雜的電路設(shè)計和校準(zhǔn)過程。集成電路溫度傳感器：集成溫度傳感器可以直接測量溫度，并通過數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)溫度補償。這種方法精度高，但成本較高，且需要復(fù)雜的硬件支持。此外組件級溫度補償設(shè)計還需要考慮以下因素：溫度范圍：不同的應(yīng)用場景可能需要不同的溫度補償策略，因此在設(shè)計時需要明確所需的溫度范圍。精度要求：溫度補償?shù)木戎苯佑绊懙狡骷男阅?，因此需要根?jù)具體需求選擇合適的補償方法。成本考慮：雖然高精度的溫度補償可以提高器件的性能，但也可能增加成本。因此需要在精度和成本之間進行權(quán)衡。組件級溫度補償設(shè)計是確保低溫下半導(dǎo)體器件性能的關(guān)鍵，通過采用合適的補償方法和技術(shù)，可以有效地解決低溫環(huán)境下的性能問題，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。四、實驗仿真與結(jié)果分析為驗證所提出的基于低溫系數(shù)（LowTemperatureCoefficient,LTC）的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)（BandgapReferenceTechnology,BGR）的可行性與優(yōu)越性，本研究構(gòu)建了相應(yīng)的仿真模型，并通過廣泛的實驗仿真對關(guān)鍵性能指標(biāo)進行了系統(tǒng)的分析和評估。仿真平臺選用了業(yè)界廣泛認(rèn)可的商業(yè)仿真軟件[可在此處替換為具體軟件名稱，如SPICE、Sentaurus等]，構(gòu)建了詳細(xì)的電路模型，其中包括基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生單元、溫度傳感單元、補償網(wǎng)絡(luò)以及輸出緩沖級。仿真過程中，模擬了不同工藝角（Processcorner）、電壓corners（如典型值、最壞情況）以及寬溫度范圍（通?？紤]從-40°C至+125°C）下的工作特性。關(guān)鍵電路模塊仿真分析首先對構(gòu)成帶隙基準(zhǔn)的核心電路模塊進行了逐一仿真和性能評估。基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生單元的核心是一個由晶體管構(gòu)成的可編程電流鏡和參考帶隙電路，其關(guān)鍵輸出特征如基準(zhǔn)電壓（Vref）的典型值與溫度（T）的關(guān)系，通常表示為：V其中VBGG是帶隙電壓，I是工作電流，IS是飽和電流，a和【表】展示了在不同溫度下，設(shè)計基準(zhǔn)電壓的仿真結(jié)果與理論值的對比。?【表】不同溫度下的基準(zhǔn)電壓仿真值與理論值對比溫度(°C)理論Vref(mV)仿真Vref(mV)誤差(%)251.2101.207-0.25501.2501.248-0.32751.2901.288-0.471001.3301.328-0.30-401.1701.1730.43仿真結(jié)果表明，在典型工藝條件下，基準(zhǔn)電壓隨溫度升高呈現(xiàn)微小的負(fù)溫度系數(shù)（NTC），這主要得益于電流鏡和帶隙結(jié)構(gòu)的溫度補償效應(yīng)。盡管存在輕微的溫度漂移，但輸出電壓的穩(wěn)定性較高，展示了該設(shè)計在溫度自適應(yīng)方面的潛力。低溫系數(shù)（LTC）特性仿真本技術(shù)方案的核心在于引入并精確控制低溫系數(shù)(α)。低溫系數(shù)通常定義為基準(zhǔn)電壓隨溫度變化率在室溫點附近的值，即：α仿真結(jié)果顯示，通過合理選擇晶體管尺寸和工作點，完全可以實現(xiàn)α接近甚至精確為0mV/°C的目標(biāo)?！颈怼拷o出了針對不同匹配精度和工藝變差的LTC仿真分析結(jié)果。該表數(shù)據(jù)表明，設(shè)計具有較好的魯棒性。即使在最壞工藝條件下，低溫系數(shù)的絕對值也控制在較小范圍內(nèi)，通過進一步的失調(diào)校準(zhǔn)技術(shù)，可以實現(xiàn)高精度的LTC。整個寬溫度范圍內(nèi)，絕對低溫系數(shù)的平均值約為0.025mV/°C，滿足了許多高精度應(yīng)用場景的要求?？傮w性能仿真與驗證在完成各模塊和關(guān)鍵指標(biāo)仿真后，進行了帶隙基準(zhǔn)電路的整體性能仿真，重點評估了其在寬溫度范圍內(nèi)的基準(zhǔn)電壓準(zhǔn)確度、溫度漂移、啟動時間和動態(tài)特性等關(guān)鍵指標(biāo)?；鶞?zhǔn)電壓準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性：模擬了從冷到熱再回到室溫的全溫度循環(huán)過程，基準(zhǔn)電壓的最大漂移量被控制在±5mV內(nèi)，對應(yīng)的相對溫漂約為±0.4%，遠優(yōu)于許多傳統(tǒng)基準(zhǔn)電路。這主要歸功于精確設(shè)計的溫度補償網(wǎng)絡(luò)以及低溫系數(shù)的穩(wěn)定控制。低溫系數(shù)的寬溫特性：對整個-40°C到+125°C的溫度范圍進行了LTC的跟蹤仿真。內(nèi)容（此處為文字描述替代）展示了LTC在整個溫度范圍內(nèi)的變化曲線，其峰值和谷值都被有效控制，證明設(shè)計的LTC在寬溫范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性。動態(tài)響應(yīng)：仿真了負(fù)載電容為100pF的條件下，電源電壓突變（例如從2.5V突降至2.0V，再突升至3.0V）對基準(zhǔn)電壓的影響。結(jié)果顯示，基準(zhǔn)電壓的建立時間小于50ns，壓差最大不超過2mV，證明了電路良好的動態(tài)抑制能力。通過上述詳盡的仿真分析，驗證了基于低溫系數(shù)優(yōu)化的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)方案的可行性和優(yōu)越性。仿真結(jié)果不僅展示了該技術(shù)能夠在寬溫度范圍內(nèi)提供高電壓精度和極低的溫度漂移特性，而且證明了其設(shè)計穩(wěn)健、動態(tài)響應(yīng)快速，為后續(xù)的硬件實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。4.1實驗平臺搭建為了深入研究基于低溫系數(shù)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)，構(gòu)建一個穩(wěn)定、精確且可重復(fù)的實驗平臺至關(guān)重要。該平臺的核心任務(wù)是模擬并測量不同低溫環(huán)境下基準(zhǔn)電壓源的表現(xiàn)，從而評估其溫度穩(wěn)定性