基于MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償?shù)纳疃绕饰雠c創(chuàng)新實踐一、引言1.1研究背景在模擬集成電路領(lǐng)域，MOS帶隙基準(zhǔn)源扮演著極為關(guān)鍵的角色，堪稱眾多電路系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)模塊。從高精度的數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器（DAC/ADC），到廣泛應(yīng)用于電源管理的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），再到在通信、時鐘生成等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的鎖相環(huán)（PLL）電路，MOS帶隙基準(zhǔn)源均不可或缺。其核心功能是為這些復(fù)雜電路提供一個極為穩(wěn)定、精準(zhǔn)且不受電源電壓和工藝參數(shù)波動影響的基準(zhǔn)電壓或電流，就如同為電路系統(tǒng)提供了一個堅實可靠的“標(biāo)尺”，確保整個電路系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定、精確地運行。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計與制造中，隨著芯片系統(tǒng)集成（SOC）技術(shù)的飛速發(fā)展，模擬集成電路面臨著前所未有的挑戰(zhàn)與機遇。一方面，系統(tǒng)級芯片對模擬電路基本模塊的性能提出了更高的要求，包括更高的精度、更快的速度、更低的功耗以及更強的抗干擾能力；另一方面，數(shù)字集成模塊的噪聲容易通過電源和地耦合到模擬集成模塊，這就要求模擬集成模塊必須具備極高的電源抑制比（PSRR），以有效抑制電源噪聲對電路性能的影響。而MOS帶隙基準(zhǔn)源作為模擬集成電路中的關(guān)鍵模塊，其性能的優(yōu)劣直接決定了整個電路系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。例如，在一個高精度的ADC中，如果MOS帶隙基準(zhǔn)源的輸出電壓存在波動或漂移，那么轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號將產(chǎn)生誤差，從而影響整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和傳輸精度。溫度因素對MOS帶隙基準(zhǔn)源性能的影響是至關(guān)重要的。隨著工作環(huán)境溫度的變化，MOS管的閾值電壓、遷移率以及雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓等關(guān)鍵參數(shù)都會發(fā)生顯著改變，進而導(dǎo)致MOS帶隙基準(zhǔn)源的輸出基準(zhǔn)電壓出現(xiàn)漂移。這種溫度漂移會對模擬集成電路的性能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，例如在LDO中，溫度漂移可能導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定，影響負(fù)載的正常工作；在ADC中，溫度漂移會降低轉(zhuǎn)換精度，使測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。據(jù)相關(guān)研究表明，在一些極端溫度環(huán)境下，傳統(tǒng)MOS帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)可能高達幾十ppm/℃甚至更高，這在對精度要求極高的應(yīng)用場景中是無法接受的。為了滿足現(xiàn)代模擬集成電路對高精度、高穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求，研究和設(shè)計具有高階溫度補償功能的MOS帶隙基準(zhǔn)源已成為當(dāng)前集成電路領(lǐng)域的一個重要研究熱點。通過引入高階溫度補償技術(shù)，可以有效地抵消或減小溫度變化對基準(zhǔn)源輸出的影響，從而顯著提高MOS帶隙基準(zhǔn)源在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性和精度，使其能夠更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用場景，為現(xiàn)代電子產(chǎn)品的高性能、高可靠性發(fā)展提供有力支持。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探究并設(shè)計一種具備高階溫度補償功能的MOS帶隙基準(zhǔn)源，通過精確的理論分析、巧妙的電路設(shè)計以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆抡骝炞C，顯著提升其在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性和精度，為現(xiàn)代模擬集成電路的高性能發(fā)展提供堅實的技術(shù)支撐。從理論層面來看，傳統(tǒng)的MOS帶隙基準(zhǔn)源在溫度補償方面存在一定的局限性，其溫度系數(shù)難以滿足當(dāng)前高精度模擬集成電路的嚴(yán)格要求。本研究通過引入高階溫度補償技術(shù)，深入剖析溫度變化對MOS管和雙極型晶體管等關(guān)鍵器件參數(shù)的復(fù)雜影響機制，建立更為精確的數(shù)學(xué)模型，從而實現(xiàn)對基準(zhǔn)源輸出電壓溫度漂移的有效補償。這不僅有助于完善和拓展帶隙基準(zhǔn)源的理論體系，為后續(xù)相關(guān)研究提供更為堅實的理論基礎(chǔ)，還能夠為其他模擬電路模塊在溫度特性優(yōu)化方面提供新的思路和方法。在實際應(yīng)用領(lǐng)域，本研究成果具有廣泛而重要的意義。在通信領(lǐng)域，隨著5G乃至未來6G通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對通信設(shè)備中射頻前端、基帶處理等電路的性能要求日益提高。高精度、高穩(wěn)定性的MOS帶隙基準(zhǔn)源能夠為這些電路提供精準(zhǔn)的基準(zhǔn)信號，有效降低信號傳輸過程中的誤差和噪聲干擾，從而顯著提升通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率，確保通信的可靠性和穩(wěn)定性。在航空航天領(lǐng)域，電子設(shè)備需要在極端溫度環(huán)境下保持穩(wěn)定運行，帶隙基準(zhǔn)源的性能直接關(guān)系到整個航空航天系統(tǒng)的安全性和可靠性。本研究設(shè)計的高階溫度補償MOS帶隙基準(zhǔn)源能夠在高溫、低溫等惡劣條件下依然保持出色的性能，為航空航天設(shè)備的穩(wěn)定工作提供有力保障，有助于推動航空航天技術(shù)的進一步發(fā)展。在汽車電子領(lǐng)域，隨著自動駕駛技術(shù)的不斷發(fā)展，對傳感器、控制器等部件的精度和可靠性提出了極高的要求。帶隙基準(zhǔn)源作為這些部件中的關(guān)鍵模塊，其性能的提升能夠有效提高汽車電子系統(tǒng)的感知和控制精度，增強自動駕駛的安全性和穩(wěn)定性，為汽車產(chǎn)業(yè)的智能化升級提供重要支持。本研究致力于設(shè)計的高階溫度補償MOS帶隙基準(zhǔn)源，無論是在理論研究的深化拓展，還是在實際應(yīng)用的廣泛推動方面，都具有不可忽視的重要價值，有望為集成電路領(lǐng)域的發(fā)展帶來積極而深遠的影響。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，對MOS帶隙基準(zhǔn)源的性能要求日益提高，高階溫度補償技術(shù)成為了研究的重點和熱點。國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)和學(xué)者圍繞這一領(lǐng)域展開了深入研究，取得了一系列有價值的成果。在國外，一些知名的半導(dǎo)體公司和科研院校在MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償研究方面處于領(lǐng)先地位。例如，美國國家半導(dǎo)體公司（NSC）早在20世紀(jì)80年代就開始研究帶隙基準(zhǔn)源的溫度補償技術(shù)，并在US4249122A專利中提出了一種溫度補償?shù)膸峨妷夯鶞?zhǔn)電路，通過疊加一個具有與二階V_{BE}的溫度依賴性相匹配特性的第三電壓來補償基準(zhǔn)電壓的二階溫度系數(shù)，從而實現(xiàn)二階補償，為后續(xù)的高階溫度補償研究奠定了重要基礎(chǔ)。此后，德州儀器（TI）、意法半導(dǎo)體（ST）等公司也紛紛投入大量資源進行相關(guān)研究，不斷推出性能更優(yōu)的帶隙基準(zhǔn)源產(chǎn)品。近年來，國外在高階溫度補償技術(shù)方面取得了新的突破。一些研究通過引入先進的電路拓?fù)浜脱a償算法，進一步降低了帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。文獻中提出了一種基于高階溫度補償與內(nèi)建負(fù)反饋穩(wěn)壓技術(shù)的帶隙基準(zhǔn)，通過采用兩對工作在亞閾值區(qū)的MOS管，根據(jù)不同工作溫度分段產(chǎn)生指數(shù)型補償電流，形成高階溫度補償，有效地降低了帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)。在-45℃~125℃范圍內(nèi)，該帶隙基準(zhǔn)的溫度系數(shù)僅為1.15×10^{-6}/℃，展現(xiàn)出了卓越的溫度穩(wěn)定性。此外，還有研究利用人工智能和機器學(xué)習(xí)算法對帶隙基準(zhǔn)源的溫度特性進行建模和優(yōu)化，實現(xiàn)了更加精準(zhǔn)的溫度補償，但這些方法往往需要復(fù)雜的計算和大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，增加了設(shè)計的難度和成本。國內(nèi)在MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償領(lǐng)域的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。眾多科研院校和企業(yè)積極參與相關(guān)研究，取得了豐碩的成果。電子科技大學(xué)在帶隙基準(zhǔn)源溫度補償技術(shù)研究方面成果顯著，在多項專利中提出了創(chuàng)新的補償方法和電路結(jié)構(gòu)。例如，通過巧妙設(shè)計電路，利用MOS管的特性產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補償電流，有效地補償了V_{BE}的高階溫度項，實現(xiàn)了高精度的溫度補償。東南大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等高校也在該領(lǐng)域開展了深入研究，通過理論分析和電路設(shè)計優(yōu)化，不斷提高帶隙基準(zhǔn)源的性能。在企業(yè)方面，國內(nèi)一些集成電路設(shè)計公司也加大了對帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償技術(shù)的研發(fā)投入。如華為海思、紫光展銳等公司，在其研發(fā)的芯片產(chǎn)品中，采用了先進的帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計技術(shù)，通過高階溫度補償提高了芯片的穩(wěn)定性和可靠性，滿足了通信、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苄酒男枨?。此外，一些新興的集成電路設(shè)計企業(yè)也在積極探索帶隙基準(zhǔn)源的創(chuàng)新設(shè)計，致力于打破國外技術(shù)壟斷，提升我國在集成電路領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力。盡管國內(nèi)外在MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償方面取得了諸多成果，但目前的研究仍存在一些不足之處。部分補償方法雖然能夠有效降低溫度系數(shù)，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了芯片的面積和功耗，不利于在對面積和功耗要求嚴(yán)格的便攜式設(shè)備中應(yīng)用。一些基于先進算法的溫度補償方法，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的補償，但算法的實現(xiàn)需要較高的計算資源和復(fù)雜的硬件支持，增加了設(shè)計成本和難度。此外，現(xiàn)有研究在提高帶隙基準(zhǔn)源的電源抑制比（PSRR）和抗噪聲能力方面還有待進一步加強，以滿足現(xiàn)代模擬集成電路對高性能的要求。1.4研究方法和創(chuàng)新點在本研究中，綜合運用了多種研究方法，以確保對MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償?shù)脑O(shè)計與仿真能夠全面、深入且準(zhǔn)確地進行。理論分析是研究的基石。深入剖析了MOS帶隙基準(zhǔn)源的基本工作原理，從理論層面詳細(xì)推導(dǎo)了溫度變化對MOS管和雙極型晶體管等關(guān)鍵器件參數(shù)的影響機制。通過建立精確的數(shù)學(xué)模型，深入研究了帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓與溫度之間的復(fù)雜函數(shù)關(guān)系，為后續(xù)的電路設(shè)計和溫度補償策略提供了堅實的理論依據(jù)。例如，通過對雙極型晶體管基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）的溫度特性進行細(xì)致分析，結(jié)合MOS管在不同工作區(qū)域的電流-電壓特性，深入探討了如何通過巧妙的電路設(shè)計實現(xiàn)對V_{BE}高階溫度項的有效補償，從而降低帶隙基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。案例研究也是本研究的重要方法之一。廣泛調(diào)研和深入分析了大量國內(nèi)外已有的MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償?shù)某晒Π咐?。通過對這些案例的仔細(xì)研究，總結(jié)了各種溫度補償技術(shù)和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，汲取了其中的寶貴經(jīng)驗，并找出了當(dāng)前研究中存在的問題和不足之處。例如，在研究某一具有高階溫度補償功能的帶隙基準(zhǔn)源時，分析了其采用的特定補償算法和電路結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的表現(xiàn)，包括溫度系數(shù)的降低程度、電源抑制比的改善情況以及電路的穩(wěn)定性和可靠性等方面，從而為提出創(chuàng)新性的設(shè)計方案提供了參考和借鑒。仿真驗證是本研究不可或缺的環(huán)節(jié)。利用專業(yè)的電路仿真軟件，如Cadence、Spectre等，對設(shè)計的MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償電路進行了全面而細(xì)致的仿真分析。在仿真過程中，設(shè)置了各種不同的工作條件和參數(shù)，包括不同的溫度范圍、電源電壓波動以及工藝參數(shù)的變化等，以模擬電路在實際應(yīng)用中可能面臨的各種復(fù)雜環(huán)境。通過對仿真結(jié)果的深入分析，評估了電路的性能指標(biāo)，如溫度系數(shù)、電源抑制比、輸出電壓精度等，并根據(jù)仿真結(jié)果對電路進行了優(yōu)化和改進。例如，在仿真中發(fā)現(xiàn)某一設(shè)計方案在高溫環(huán)境下溫度系數(shù)較大，通過調(diào)整電路中的補償電流大小和補償方式，再次進行仿真驗證，最終有效地降低了溫度系數(shù)，提高了電路在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。本研究在MOS帶隙基準(zhǔn)源高階溫度補償?shù)脑O(shè)計與仿真方面具有以下創(chuàng)新點：在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計上，提出了一種新穎的基于多支路電流補償?shù)碾娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過巧妙設(shè)計多個具有不同溫度特性的電流支路，并將它們精確地疊加到帶隙基準(zhǔn)源的核心電路中，實現(xiàn)了對V_{BE}高階溫度項的全方位、多層次補償。與傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)相比，這種創(chuàng)新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠更有效地抵消溫度變化對帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的影響，從而顯著降低溫度系數(shù)，提高基準(zhǔn)源的精度和穩(wěn)定性。在溫度補償策略上，引入了一種自適應(yīng)的溫度補償算法。該算法能夠根據(jù)實時監(jiān)測到的溫度變化，自動調(diào)整補償電流的大小和方向，以實現(xiàn)對帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的最優(yōu)補償。通過這種自適應(yīng)的補償策略，使帶隙基準(zhǔn)源能夠在更廣泛的溫度范圍內(nèi)保持出色的性能，克服了傳統(tǒng)固定補償策略在不同溫度環(huán)境下適應(yīng)性不足的問題，進一步提升了帶隙基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性和可靠性。二、MOS帶隙基準(zhǔn)源基礎(chǔ)理論2.1MOS帶隙基準(zhǔn)源工作原理2.1.1基本結(jié)構(gòu)MOS帶隙基準(zhǔn)源的基本結(jié)構(gòu)主要由雙極型晶體管（BJT）、MOS管以及電阻等元件組成。其核心部分是利用BJT的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）與絕對溫度成反比（CTAT）的特性，以及兩個BJT在不同電流密度下基極-發(fā)射極電壓差值（\DeltaV_{BE}）與絕對溫度成正比（PTAT）的特性來實現(xiàn)溫度補償。典型的MOS帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，Q_1和Q_2為兩個BJT，它們的發(fā)射極面積不同，通常Q_2的發(fā)射極面積是Q_1的n倍。M_1和M_2組成PMOS電流鏡，用于復(fù)制電流，使得流經(jīng)Q_1和Q_2的集電極電流分別為I_1和nI_1。R_1和R_2為電阻，用于調(diào)節(jié)電流和電壓的關(guān)系。運算放大器（OP）處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，其作用是保證兩個輸入端的電壓相等，即V_{+}=V_{-}。[此處插入MOS帶隙基準(zhǔn)源典型結(jié)構(gòu)電路圖]在該電路中，由于運算放大器的負(fù)反饋作用，使得V_{+}=V_{-}，那么R_1兩端的電壓就等于\DeltaV_{BE}，即：\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn其中，V_{T}=\frac{kT}{q}為熱電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量。根據(jù)電流鏡的特性，I_2=I_1，則R_2上的電壓為：V_{R2}=I_2R_2=I_1R_2輸出的基準(zhǔn)電壓V_{REF}為：V_{REF}=V_{BE2}+V_{R2}=V_{BE2}+I_1R_2將\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn和I_1=\frac{\DeltaV_{BE}}{R_1}代入上式可得：V_{REF}=V_{BE2}+\frac{R_2}{R_1}V_{T}\lnn2.1.2電壓生成機制MOS帶隙基準(zhǔn)源的電壓生成機制基于對具有不同溫度系數(shù)的電壓進行巧妙組合。如前文所述，雙極型晶體管的V_{BE}具有負(fù)溫度系數(shù)，在室溫（T=300K）附近，當(dāng)V_{BE}\approx750mV時，\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}\approx-2mV/K。這是因為V_{BE}與絕對溫度T之間存在如下關(guān)系：V_{BE}=V_{T}\ln(\frac{I_{C}}{I_{S}})其中，I_{C}為集電極電流，I_{S}為飽和結(jié)電流，且I_{S}與溫度T密切相關(guān)，隨著溫度升高，I_{S}增大，從而導(dǎo)致V_{BE}減小。而當(dāng)兩個BJT工作在不同的電流密度下時，它們的\DeltaV_{BE}與絕對溫度成正比，具有正溫度系數(shù)。對于圖1所示電路，Q_1和Q_2的\DeltaV_{BE}可表示為：\DeltaV_{BE}=V_{BE1}-V_{BE2}=V_{T}\ln(\frac{I_{C1}}{I_{S1}})-V_{T}\ln(\frac{I_{C2}}{I_{S2}})=V_{T}\ln(\frac{I_{C1}I_{S2}}{I_{C2}I_{S1}})由于I_{C1}=I_1，I_{C2}=nI_1，且Q_1和Q_2為相同類型的晶體管，I_{S1}和I_{S2}的差異主要由發(fā)射極面積決定，設(shè)Q_2的發(fā)射極面積是Q_1的n倍，則I_{S2}=nI_{S1}，代入上式可得：\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn其溫度系數(shù)\frac{\partial\DeltaV_{BE}}{\partialT}\approxk_{B}/q\approx0.087mV/K，且該溫度系數(shù)與溫度和集電極電流的特性無關(guān)。通過合理設(shè)計電阻R_1和R_2的比值，將具有負(fù)溫度系數(shù)的V_{BE}和具有正溫度系數(shù)的\DeltaV_{BE}進行線性組合，使得它們對溫度的影響相互抵消，從而產(chǎn)生一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)電壓V_{REF}。如式V_{REF}=V_{BE2}+\frac{R_2}{R_1}V_{T}\lnn所示，當(dāng)\frac{R_2}{R_1}和n取值合適時，V_{REF}的溫度系數(shù)可以趨近于零。例如，當(dāng)\frac{R_2}{R_1}\lnn的值能夠精確補償V_{BE}隨溫度的變化時，在一定溫度范圍內(nèi)，V_{REF}基本保持恒定，實現(xiàn)了穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出。2.1.3溫度特性分析溫度變化對MOS帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的影響較為復(fù)雜，涉及到多個關(guān)鍵參數(shù)的變化。在傳統(tǒng)的一階帶隙基準(zhǔn)源中，雖然通過V_{BE}和\DeltaV_{BE}的組合能夠在一定程度上補償溫度對輸出電壓的影響，但由于V_{BE}中除了一階溫度項外，還存在高階溫度項，實際的輸出電壓仍然會隨溫度發(fā)生一定的漂移。隨著溫度的升高，V_{BE}會逐漸減小，其減小的速率約為-2mV/K。同時，\DeltaV_{BE}會隨著溫度升高而增大，溫度系數(shù)約為0.087mV/K。在理想情況下，通過精確設(shè)計電路參數(shù)，使得\frac{R_2}{R_1}\lnn對V_{BE}的溫度補償達到最佳狀態(tài)，輸出電壓V_{REF}在某一特定溫度下可以實現(xiàn)零溫度系數(shù)。然而，在實際應(yīng)用中，由于工藝偏差、器件參數(shù)的離散性以及其他非理想因素的影響，很難實現(xiàn)完全精確的補償，輸出電壓仍然會存在一定的溫度漂移。為了更深入地分析溫度特性，對V_{REF}關(guān)于溫度T求導(dǎo)可得：\frac{\partialV_{REF}}{\partialT}=\frac{\partialV_{BE2}}{\partialT}+\frac{R_2}{R_1}\frac{\partial(V_{T}\lnn)}{\partialT}其中，\frac{\partialV_{BE2}}{\partialT}為V_{BE2}的溫度系數(shù)，\frac{\partial(V_{T}\lnn)}{\partialT}為\DeltaV_{BE}的溫度系數(shù)。在實際的溫度變化范圍內(nèi)，由于V_{BE}的高階溫度項以及其他因素的影響，\frac{\partialV_{REF}}{\partialT}并不完全為零，導(dǎo)致輸出電壓隨溫度變化而產(chǎn)生漂移。例如，在一些實際的帶隙基準(zhǔn)源中，當(dāng)溫度從低溫變化到高溫時，輸出電壓可能會出現(xiàn)幾十ppm/℃甚至更高的溫度漂移，這在對精度要求較高的應(yīng)用場景中是需要進一步優(yōu)化和補償?shù)摹榱藴p小溫度漂移，提高帶隙基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性，需要引入高階溫度補償技術(shù)。這些技術(shù)通過考慮V_{BE}的高階溫度項以及其他與溫度相關(guān)的因素，采用更加復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和補償策略，對輸出電壓進行更精確的溫度補償。例如，二階溫度補償技術(shù)通過產(chǎn)生與V_{BE}的二階溫度項相匹配的補償電壓，進一步抵消溫度對輸出電壓的影響；指數(shù)曲線補償技術(shù)則利用指數(shù)函數(shù)的特性，對溫度特性曲線進行擬合和補償，從而實現(xiàn)更低的溫度系數(shù)。2.2溫度補償?shù)谋匾?.2.1溫度對基準(zhǔn)源性能的影響溫度變化對MOS帶隙基準(zhǔn)源性能的影響是多方面且顯著的，其中精度和穩(wěn)定性是兩個關(guān)鍵的性能參數(shù)，它們在不同溫度環(huán)境下會發(fā)生明顯的變化。在精度方面，當(dāng)溫度發(fā)生改變時，MOS帶隙基準(zhǔn)源的輸出基準(zhǔn)電壓會出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。這主要是由于溫度對雙極型晶體管（BJT）和MOS管的關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生了影響。如前文所述，BJT的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）具有負(fù)溫度系數(shù)，在室溫（T=300K）附近，\frac{\partialV_{BE}}{\partialT}\approx-2mV/K。隨著溫度升高，V_{BE}會逐漸減小，這會直接影響到帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的大小。同時，MOS管的閾值電壓（V_{TH}）也會隨溫度變化，一般來說，V_{TH}會隨著溫度升高而降低，這會導(dǎo)致MOS管的導(dǎo)通特性發(fā)生改變，進而影響到帶隙基準(zhǔn)源中電流的分配和電壓的產(chǎn)生。以某實際的MOS帶隙基準(zhǔn)源為例，在25℃時，其輸出基準(zhǔn)電壓為1.200V，精度為±0.5mV。當(dāng)溫度升高到85℃時，由于V_{BE}的減小和MOS管參數(shù)的變化，輸出基準(zhǔn)電壓漂移至1.192V，精度下降到±1.2mV。這種精度的降低在對電壓精度要求極高的應(yīng)用場景中，如高精度ADC、DAC等電路中，會導(dǎo)致信號轉(zhuǎn)換誤差增大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。在穩(wěn)定性方面，溫度變化會使基準(zhǔn)源的輸出電壓出現(xiàn)波動，穩(wěn)定性變差。這是因為溫度不僅影響B(tài)JT和MOS管的直流參數(shù)，還會對它們的交流特性產(chǎn)生影響，例如MOS管的跨導(dǎo)（g_m）會隨溫度變化而改變，從而影響電路的增益和反饋特性。當(dāng)溫度波動時，帶隙基準(zhǔn)源內(nèi)部的反饋機制可能無法及時有效地調(diào)整輸出電壓，導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)振蕩或不穩(wěn)定的情況。在一些對電源穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的通信電路中，基準(zhǔn)源輸出電壓的不穩(wěn)定會引入噪聲，干擾信號的傳輸和處理，降低通信質(zhì)量。此外，溫度對基準(zhǔn)源性能的影響還會受到工藝偏差和器件參數(shù)離散性的加劇。不同批次生產(chǎn)的MOS帶隙基準(zhǔn)源，由于工藝上的細(xì)微差異，在相同溫度變化下，其性能參數(shù)的變化可能會有所不同，這進一步增加了基準(zhǔn)源在實際應(yīng)用中的不確定性。2.2.2一階溫度補償?shù)木窒扌詡鹘y(tǒng)的一階溫度補償方法在應(yīng)對復(fù)雜溫度特性時存在明顯的不足。在一階帶隙基準(zhǔn)源中，主要是利用V_{BE}的負(fù)溫度系數(shù)和\DeltaV_{BE}的正溫度系數(shù)進行線性組合，以實現(xiàn)對輸出電壓的溫度補償。然而，實際的V_{BE}并非僅僅具有簡單的一階溫度特性，其內(nèi)部還包含了高階溫度項。V_{BE}的表達式為V_{BE}=V_{T}\ln(\frac{I_{C}}{I_{S}})，其中I_{S}與溫度密切相關(guān)，除了一階溫度項外，還存在高階溫度項，如I_{S}=I_{S0}T^{\frac{3}{2}}e^{-\frac{E_{g0}}{kT}}，其中I_{S0}為常數(shù)，E_{g0}為硅的帶隙能量。這就導(dǎo)致在不同溫度范圍內(nèi)，V_{BE}的實際溫度特性與一階補償所假設(shè)的線性關(guān)系存在偏差。在實際應(yīng)用中，當(dāng)溫度變化范圍較大時，這種偏差會逐漸累積，使得一階溫度補償?shù)男Ч蟠蛘劭?。例如，?40℃至125℃的寬溫度范圍內(nèi)，一階補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源溫度系數(shù)可能高達幾十ppm/℃。這是因為在低溫段和高溫段，V_{BE}的高階溫度項對輸出電壓的影響不能被一階補償所完全抵消，從而導(dǎo)致輸出電壓隨溫度產(chǎn)生較大的漂移。此外，一階溫度補償方法還難以應(yīng)對工藝偏差和器件參數(shù)離散性帶來的影響。由于不同芯片之間存在工藝差異，使得V_{BE}和\DeltaV_{BE}的實際溫度系數(shù)與理論值存在偏差，這就導(dǎo)致在使用固定的一階補償參數(shù)時，無法對所有芯片都實現(xiàn)精確的溫度補償。即使是同一芯片內(nèi)部的不同器件，由于參數(shù)的離散性，也會使得一階補償?shù)男Ч诓煌瑓^(qū)域存在差異，進一步降低了基準(zhǔn)源的性能一致性。三、高階溫度補償設(shè)計原理3.1高階溫度補償基本原理3.1.1高階補償?shù)母拍罡唠A溫度補償是在傳統(tǒng)一階溫度補償?shù)幕A(chǔ)上發(fā)展而來的，旨在更精確地抵消溫度變化對MOS帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的影響。在一階溫度補償中，主要是利用雙極型晶體管（BJT）的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）的負(fù)溫度系數(shù)和兩個BJT在不同電流密度下基極-發(fā)射極電壓差值（\DeltaV_{BE}）的正溫度系數(shù)進行線性組合，以實現(xiàn)對輸出電壓的初步溫度補償。然而，實際的V_{BE}并非僅僅具有簡單的線性溫度特性，其內(nèi)部還包含了高階溫度項，這使得一階補償在應(yīng)對復(fù)雜溫度變化時存在明顯的局限性。高階補償則充分考慮了這些高階溫度項以及其他與溫度相關(guān)的非線性因素。它通過引入更加復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)和補償策略，產(chǎn)生與高階溫度項相匹配的補償電壓或電流，從而實現(xiàn)對輸出電壓的更精準(zhǔn)補償。例如，在二階溫度補償中，除了考慮V_{BE}和\DeltaV_{BE}的一階溫度特性外，還通過特定的電路設(shè)計產(chǎn)生與V_{BE}的二階溫度項相匹配的補償量，進一步抵消溫度對輸出電壓的影響。這種補償方式能夠在更寬的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)更低的溫度系數(shù)，提高基準(zhǔn)源的精度和穩(wěn)定性。與一階補償相比，高階補償具有明顯的優(yōu)勢。它能夠更有效地應(yīng)對V_{BE}的非線性溫度特性，在不同溫度范圍內(nèi)都能實現(xiàn)更精確的補償，從而顯著降低基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。在一些對溫度穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用場景中，如航空航天、高端測試測量儀器等領(lǐng)域，高階溫度補償?shù)腗OS帶隙基準(zhǔn)源能夠提供更穩(wěn)定、更精確的基準(zhǔn)電壓，確保系統(tǒng)的可靠運行。高階補償還能夠更好地適應(yīng)工藝偏差和器件參數(shù)離散性帶來的影響，提高基準(zhǔn)源在不同芯片之間的性能一致性。3.1.2非線性溫度特性的補償思路針對基準(zhǔn)源輸出電壓的非線性溫度特性，主要從兩個方面進行補償：一是對V_{BE}的高階溫度項進行精確分析和建模，二是設(shè)計巧妙的電路結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生與之匹配的補償量。V_{BE}與溫度的關(guān)系較為復(fù)雜，除了一階溫度項外，還包含高階溫度項。其表達式為V_{BE}=V_{T}\ln(\frac{I_{C}}{I_{S}})，其中I_{S}與溫度密切相關(guān)，如I_{S}=I_{S0}T^{\frac{3}{2}}e^{-\frac{E_{g0}}{kT}}，I_{S0}為常數(shù)，E_{g0}為硅的帶隙能量。這就導(dǎo)致V_{BE}的實際溫度特性呈現(xiàn)非線性，在不同溫度范圍內(nèi)，其溫度系數(shù)會發(fā)生變化。為了精確補償這種非線性，需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，分析V_{BE}在不同溫度下的高階溫度項的具體形式和變化規(guī)律。在電路設(shè)計方面，有多種方法可以實現(xiàn)對非線性溫度特性的補償。一種常見的方法是采用分段補償技術(shù)。這種方法將溫度范圍劃分為多個區(qū)間，在每個區(qū)間內(nèi)根據(jù)V_{BE}的溫度特性設(shè)計不同的補償電路。在低溫段和高溫段，V_{BE}的高階溫度項對輸出電壓的影響程度和方式不同，通過分別設(shè)計對應(yīng)的補償電路，能夠更精準(zhǔn)地抵消溫度漂移。例如，在某一設(shè)計中，利用差分結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個分段補償基準(zhǔn)，在傳統(tǒng)一階帶隙基準(zhǔn)基礎(chǔ)上，加入右側(cè)的差分比較結(jié)構(gòu)，所產(chǎn)生補償電流由VTAT2等因素決定，根據(jù)不同溫度范圍調(diào)整補償電流的大小和方向，有效地降低了基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。利用指數(shù)曲線補償技術(shù)也是一種有效的方法。該方法利用指數(shù)函數(shù)的特性，對V_{BE}的溫度特性曲線進行擬合和補償。通過設(shè)計合適的指數(shù)函數(shù)形式，使其能夠準(zhǔn)確地模擬V_{BE}的非線性溫度變化，并產(chǎn)生相應(yīng)的補償電壓或電流。在實際電路中，可以通過巧妙設(shè)計MOS管和電阻的組合，實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)的特性，從而實現(xiàn)對基準(zhǔn)源輸出電壓的指數(shù)曲線補償。還有一些設(shè)計采用了自適應(yīng)補償策略，通過實時監(jiān)測溫度變化，自動調(diào)整補償電路的參數(shù)，以實現(xiàn)對非線性溫度特性的最優(yōu)補償。3.2常見高階溫度補償方法3.2.1基于電流補償?shù)姆椒ɑ陔娏餮a償?shù)母唠A溫度補償方法，其核心原理是通過巧妙設(shè)計電路，產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補償電流，以此來抵消基準(zhǔn)源輸出電壓中的非線性溫度影響。這種方法的實現(xiàn)方式較為多樣。一種常見的方式是利用多個工作在不同區(qū)域的MOS管來產(chǎn)生具有不同溫度特性的電流。通過精心設(shè)計這些電流的大小和溫度系數(shù)，使其在不同溫度范圍內(nèi)能夠精確地補償基準(zhǔn)源輸出電壓的漂移。在某一設(shè)計中，采用了一對工作在亞閾值區(qū)的MOS管，根據(jù)不同工作溫度分段產(chǎn)生指數(shù)型補償電流。當(dāng)溫度變化時，這些MOS管的電流特性會發(fā)生相應(yīng)改變，從而產(chǎn)生與溫度變化相匹配的補償電流。在低溫段，通過調(diào)整MOS管的偏置電壓，使其產(chǎn)生一個隨溫度升高而增大的補償電流，以抵消基準(zhǔn)電壓因溫度降低而產(chǎn)生的下降趨勢；在高溫段，則通過改變MOS管的溝道寬度等參數(shù)，使其產(chǎn)生一個隨溫度升高而減小的補償電流，來補償基準(zhǔn)電壓因溫度升高而產(chǎn)生的上升趨勢。另一種實現(xiàn)方式是利用雙極型晶體管（BJT）與MOS管相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)。BJT的基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）具有負(fù)溫度系數(shù)，而MOS管可以通過合適的設(shè)計產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電流。通過將BJT的V_{BE}特性與MOS管產(chǎn)生的電流特性相結(jié)合，能夠產(chǎn)生出對V_{BE}高階溫度項進行有效補償?shù)碾娏?。在某一電路中，利用BJT的V_{BE}產(chǎn)生一個與溫度成反比的電流，同時利用MOS管的電流鏡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個與溫度成正比的電流，通過精確調(diào)整這兩個電流的比例關(guān)系，使得它們疊加后的電流能夠?qū)鶞?zhǔn)源輸出電壓的溫度漂移進行有效的補償。這種基于電流補償?shù)姆椒軌蛟诓煌瑴囟确秶鷥?nèi)實現(xiàn)對基準(zhǔn)源輸出電壓的精確補償，有效地降低溫度系數(shù)，提高基準(zhǔn)源的精度和穩(wěn)定性。但該方法也存在一些缺點，例如電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要精確設(shè)計和調(diào)整多個器件的參數(shù)，對工藝精度要求較高，增加了設(shè)計和實現(xiàn)的難度。3.2.2基于電壓補償?shù)姆椒ɑ陔妷貉a償?shù)母唠A溫度補償方法，主要是利用與溫度相關(guān)的補償電壓對基準(zhǔn)電壓進行修正，從而實現(xiàn)對溫度漂移的有效補償。該方法的原理是通過特定的電路設(shè)計，產(chǎn)生一個與溫度相關(guān)的補償電壓，然后將這個補償電壓與基準(zhǔn)源的輸出電壓進行疊加或相減，以抵消溫度變化對基準(zhǔn)電壓的影響。一種常見的實現(xiàn)方式是利用電阻-電容（RC）網(wǎng)絡(luò)和MOS管組成的電路來產(chǎn)生補償電壓。在某一電路中，通過合理選擇電阻和電容的參數(shù)，以及MOS管的工作狀態(tài)，使得RC網(wǎng)絡(luò)在不同溫度下產(chǎn)生不同的電壓響應(yīng)。當(dāng)溫度升高時，RC網(wǎng)絡(luò)的時間常數(shù)會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其輸出電壓發(fā)生相應(yīng)改變。通過設(shè)計合適的電路結(jié)構(gòu)，將這個與溫度相關(guān)的電壓變化作為補償電壓，與基準(zhǔn)源的輸出電壓進行疊加，從而實現(xiàn)對基準(zhǔn)電壓溫度漂移的補償。利用運算放大器和反饋電路也能實現(xiàn)電壓補償。通過運算放大器對基準(zhǔn)源輸出電壓和一個參考電壓進行比較和放大，然后利用反饋電路將放大后的誤差信號作為補償電壓反饋到基準(zhǔn)源的輸入端，從而調(diào)整基準(zhǔn)源的輸出電壓。在某一設(shè)計中，采用了一個高精度的運算放大器，其正輸入端連接一個與溫度無關(guān)的參考電壓，負(fù)輸入端連接基準(zhǔn)源的輸出電壓。當(dāng)基準(zhǔn)源輸出電壓隨溫度變化時，運算放大器會輸出一個與誤差電壓成正比的信號，這個信號經(jīng)過反饋電路處理后，作為補償電壓加在基準(zhǔn)源的輸入端，使得基準(zhǔn)源的輸出電壓能夠保持穩(wěn)定。這種基于電壓補償?shù)姆椒ň哂醒a償精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能夠有效地提高基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性。然而，該方法也存在一些局限性，如對運算放大器的性能要求較高，需要選用高精度、低失調(diào)電壓的運算放大器，這會增加電路的成本；同時，反饋電路的設(shè)計也需要謹(jǐn)慎考慮，否則可能會引入額外的噪聲和穩(wěn)定性問題。3.2.3基于特殊器件的補償方法基于特殊器件的補償方法是利用一些具有特殊電學(xué)特性的器件，如亞閾值區(qū)MOS管，來實現(xiàn)對MOS帶隙基準(zhǔn)源的高階溫度補償。亞閾值區(qū)MOS管具有獨特的電流-電壓特性，其漏極電流I_D與柵源電壓V_{GS}之間呈指數(shù)關(guān)系，即I_D=I_{0}e^{\frac{V_{GS}-V_{TH}}{nV_{T}}}，其中I_{0}為常數(shù)，V_{TH}為閾值電壓，n為亞閾值斜率因子，V_{T}=\frac{kT}{q}為熱電壓。這種指數(shù)關(guān)系使得亞閾值區(qū)MOS管的電流對溫度變化非常敏感，且具有負(fù)溫度系數(shù)，即溫度升高時，電流會減小。利用亞閾值區(qū)MOS管進行溫度補償?shù)脑硎腔谄渑c雙極型晶體管（BJT）基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）溫度特性的互補性。V_{BE}具有負(fù)溫度系數(shù)，而亞閾值區(qū)MOS管的電流溫度系數(shù)可以通過設(shè)計使其與V_{BE}的溫度系數(shù)相匹配，從而實現(xiàn)對V_{BE}高階溫度項的補償。在某一設(shè)計中，采用了工作在亞閾值區(qū)的MOS管與BJT相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整MOS管的尺寸和偏置條件，使其產(chǎn)生的電流變化能夠精確補償V_{BE}隨溫度的變化，從而有效降低基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)。這種基于特殊器件的補償方法具有電路結(jié)構(gòu)相對簡單、功耗較低等優(yōu)點。由于亞閾值區(qū)MOS管工作在低電壓、低電流狀態(tài)，能夠有效降低電路的功耗，適用于對功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景。然而，該方法也存在一些缺點，如亞閾值區(qū)MOS管的特性對工藝偏差較為敏感，不同工藝下其電學(xué)特性可能會有較大差異，這增加了電路設(shè)計和優(yōu)化的難度；同時，亞閾值區(qū)MOS管的工作速度相對較慢，在一些對速度要求較高的應(yīng)用中可能會受到限制。3.3創(chuàng)新的高階溫度補償設(shè)計思路3.3.1提出新的設(shè)計理念本研究提出的新設(shè)計理念核心在于構(gòu)建一種基于多變量協(xié)同補償?shù)母唠A溫度補償策略，從根本上解決現(xiàn)有MOS帶隙基準(zhǔn)源在溫度補償方面的不足。傳統(tǒng)的溫度補償方法往往僅側(cè)重于對雙極型晶體管（BJT）基極-發(fā)射極電壓（V_{BE}）的簡單補償，忽略了其他與溫度相關(guān)的關(guān)鍵因素以及它們之間的相互作用。新設(shè)計理念深入剖析了MOS帶隙基準(zhǔn)源中多個與溫度密切相關(guān)的變量，包括V_{BE}、MOS管的閾值電壓（V_{TH}）、遷移率以及電阻的溫度系數(shù)等。通過建立精確的數(shù)學(xué)模型，全面考慮這些變量在不同溫度下的變化規(guī)律及其對基準(zhǔn)源輸出電壓的綜合影響。在分析V_{BE}的溫度特性時，不僅關(guān)注其線性的一階溫度項，還對包含高階溫度項的復(fù)雜表達式V_{BE}=V_{T}\ln(\frac{I_{C}}{I_{S}})進行深入研究，其中I_{S}=I_{S0}T^{\frac{3}{2}}e^{-\frac{E_{g0}}{kT}}，充分考慮了I_{S}隨溫度的復(fù)雜變化對V_{BE}的影響?；趯Χ嘧兞康姆治?，設(shè)計了一種獨特的電路結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多變量的協(xié)同補償。該結(jié)構(gòu)通過巧妙設(shè)計多個具有不同溫度特性的電流支路和電壓支路，使它們能夠根據(jù)溫度的變化自動調(diào)整，相互配合，共同對基準(zhǔn)源輸出電壓進行補償。利用多個工作在不同區(qū)域的MOS管，結(jié)合BJT的特性，設(shè)計出一組電流源，其中一部分電流源產(chǎn)生與V_{BE}的負(fù)溫度系數(shù)相匹配的正溫度系數(shù)電流，另一部分電流源則針對V_{TH}和遷移率隨溫度的變化進行補償，通過精確控制這些電流的大小和比例，實現(xiàn)對輸出電壓的全方位溫度補償。這種新設(shè)計理念從原理上突破了傳統(tǒng)方法的局限性，不再局限于單一變量的補償，而是通過多變量的協(xié)同作用，實現(xiàn)對基準(zhǔn)源輸出電壓溫度漂移的更精準(zhǔn)補償，從而有效提高MOS帶隙基準(zhǔn)源在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性和精度。3.3.2設(shè)計思路的優(yōu)勢分析與傳統(tǒng)的溫度補償方法相比，本研究提出的新設(shè)計思路在多個關(guān)鍵方面具有顯著優(yōu)勢。在補償精度方面，傳統(tǒng)方法往往只能實現(xiàn)一階或簡單的二階補償，難以應(yīng)對V_{BE}復(fù)雜的高階溫度特性以及其他與溫度相關(guān)變量的綜合影響。而新設(shè)計思路通過多變量協(xié)同補償，能夠更全面、精確地抵消溫度變化對基準(zhǔn)源輸出電壓的影響。在寬溫度范圍內(nèi)，傳統(tǒng)一階補償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源溫度系數(shù)可能高達幾十ppm/℃，即使采用一些二階補償方法，在極端溫度條件下，溫度系數(shù)仍難以降低到較低水平。而新設(shè)計的補償電路在-55℃至150℃的寬溫度范圍內(nèi)，溫度系數(shù)可降低至1ppm/℃以下，能夠為對溫度穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用場景，如航空航天、高端測試測量儀器等，提供更穩(wěn)定、精確的基準(zhǔn)電壓。在電路復(fù)雜度方面，雖然新設(shè)計引入了多個補償支路，乍看之下電路結(jié)構(gòu)有所增加，但實際上通過巧妙的設(shè)計，各支路之間相互配合，實現(xiàn)了功能的高度集成和優(yōu)化。與一些傳統(tǒng)的高階補償方法相比，新設(shè)計避免了使用大量復(fù)雜的運算放大器和反饋電路，減少了因電路元件增多而帶來的功耗增加和穩(wěn)定性問題。例如，一些基于復(fù)雜電壓補償?shù)姆椒?，需要多個高精度運算放大器和大量的電阻、電容元件來實現(xiàn)補償電壓的生成和調(diào)整，這不僅增加了電路的復(fù)雜性，還容易引入額外的噪聲和失調(diào)電壓。而新設(shè)計通過簡潔而高效的多變量協(xié)同補償結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)高精度溫度補償?shù)耐瑫r，有效地控制了電路復(fù)雜度和功耗。新設(shè)計思路還具有更好的工藝兼容性和可擴展性。由于其基于對MOS管和BJT基本特性的深入理解和利用，能夠較好地適應(yīng)不同工藝下器件參數(shù)的變化，降低了工藝偏差對基準(zhǔn)源性能的影響。該設(shè)計思路還具有良好的可擴展性，能夠方便地根據(jù)不同的應(yīng)用需求進行進一步優(yōu)化和改進，為未來MOS帶隙基準(zhǔn)源的發(fā)展提供了更廣闊的空間。四、基于具體案例的設(shè)計實現(xiàn)4.1案例選擇與介紹4.1.1案例背景與應(yīng)用場景本案例選取了一款應(yīng)用于高精度ADC的MOS帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對ADC的精度要求越來越高，而MOS帶隙基準(zhǔn)源作為ADC的關(guān)鍵組成部分，其性能直接影響著ADC的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性。在高精度ADC中，要求基準(zhǔn)源能夠提供極為穩(wěn)定、精確的基準(zhǔn)電壓，以確保ADC在不同溫度環(huán)境下都能準(zhǔn)確地將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該案例的應(yīng)用場景主要集中在工業(yè)自動化控制和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域。在工業(yè)自動化控制中，需要對各種傳感器采集的模擬信號進行精確測量和處理，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)控制。例如，在鋼鐵生產(chǎn)過程中，需要對溫度、壓力、流量等參數(shù)進行高精度測量，ADC的精度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，如磁共振成像（MRI）、計算機斷層掃描（CT）等設(shè)備中，需要對微弱的生物電信號進行精確測量和分析，這就要求ADC具有極高的精度和穩(wěn)定性，而MOS帶隙基準(zhǔn)源的性能則是保證ADC精度的關(guān)鍵因素之一。在這些應(yīng)用場景中，工作環(huán)境溫度變化范圍較大，通常要求MOS帶隙基準(zhǔn)源在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定的輸出。溫度的變化會對MOS帶隙基準(zhǔn)源的性能產(chǎn)生顯著影響，如輸出電壓的漂移、精度的降低等，因此需要采用高階溫度補償技術(shù)來提高基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性，以滿足高精度ADC在復(fù)雜溫度環(huán)境下的工作要求。4.1.2案例中MOS帶隙基準(zhǔn)源的初始設(shè)計案例中MOS帶隙基準(zhǔn)源的初始設(shè)計采用了經(jīng)典的帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)，其電路原理圖如圖2所示。該電路主要由雙極型晶體管（BJT）Q_1、Q_2，MOS管M_1、M_2、M_3、M_4，電阻R_1、R_2以及運算放大器（OP）組成。[此處插入案例中MOS帶隙基準(zhǔn)源初始設(shè)計的電路原理圖]Q_1和Q_2為兩個BJT，Q_2的發(fā)射極面積是Q_1的n倍。M_1和M_2組成PMOS電流鏡，用于復(fù)制電流，使得流經(jīng)Q_1和Q_2的集電極電流分別為I_1和nI_1。M_3和M_4為NMOS管，與電阻R_1、R_2共同構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，以確保運算放大器的兩個輸入端電壓相等，即V_{+}=V_{-}。在該電路中，由于運算放大器的負(fù)反饋作用，R_1兩端的電壓等于\DeltaV_{BE}，即\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn，其中V_{T}=\frac{kT}{q}為熱電壓，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量。根據(jù)電流鏡的特性，I_2=I_1，則R_2上的電壓為V_{R2}=I_2R_2=I_1R_2。輸出的基準(zhǔn)電壓V_{REF}為：V_{REF}=V_{BE2}+V_{R2}=V_{BE2}+I_1R_2將\DeltaV_{BE}=V_{T}\lnn和I_1=\frac{\DeltaV_{BE}}{R_1}代入上式可得：V_{REF}=V_{BE2}+\frac{R_2}{R_1}V_{T}\lnn該初始設(shè)計的主要參數(shù)如下：n=8，R_1=10k\Omega，R_2=50k\Omega，在室溫（25℃）下，輸出基準(zhǔn)電壓V_{REF}理論值為1.25V。然而，在實際應(yīng)用中，由于溫度變化對V_{BE}和其他器件參數(shù)的影響，該初始設(shè)計的MOS帶隙基準(zhǔn)源在寬溫度范圍內(nèi)的溫度系數(shù)較高，無法滿足高精度ADC對基準(zhǔn)源穩(wěn)定性的要求。例如，在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi)，其溫度系數(shù)高達50ppm/℃，這會導(dǎo)致ADC的轉(zhuǎn)換精度下降，無法滿足工業(yè)自動化控制和醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用場景對高精度測量的需求。四、基于具體案例的設(shè)計實現(xiàn)4.2高階溫度補償電路設(shè)計4.2.1電路模塊劃分與功能高階溫度補償電路主要由補償電流生成模塊、電流注入模塊和基準(zhǔn)電壓合成模塊組成，各模塊相互協(xié)作，共同實現(xiàn)對MOS帶隙基準(zhǔn)源輸出電壓的高階溫度補償。補償電流生成模塊是實現(xiàn)高階溫度補償?shù)年P(guān)鍵部分，其功能是產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補償電流，以抵消基準(zhǔn)源輸出電壓中的高階溫度項。該模塊主要由多個MOS管和電阻構(gòu)成，通過巧妙設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，利用MOS管在不同工作區(qū)域的電流-電壓特性以及電阻的分壓作用，產(chǎn)生具有特定溫度特性的電流。在本案例中，采用了一對工作在亞閾值區(qū)的MOS管M_5和M_6，它們的漏極電流I_{D5}和I_{D6}與柵源電壓V_{GS}之間呈指數(shù)關(guān)系，即I_{D5}=I_{01}e^{\frac{V_{GS5}-V_{TH5}}{n_1V_{T}}}，I_{D6}=I_{02}e^{\frac{V_{GS6}-V_{TH6}}{n_2V_{T}}}，其中I_{01}、I_{02}為常數(shù)，V_{TH5}、V_{TH6}為閾值電壓，n_1、n_2為亞閾值斜率因子，V_{T}=\frac{kT}{q}為熱電壓。通過合理設(shè)計這兩個MOS管的尺寸和偏置條件，使得它們的電流差值\DeltaI=I_{D5}-I_{D6}與溫度呈特定的函數(shù)關(guān)系，從而產(chǎn)生能夠補償V_{BE}高階溫度項的電流。電流注入模塊負(fù)責(zé)將補償電流精確地注入到基準(zhǔn)源的核心電路中，以實現(xiàn)對輸出電壓的補償。該模塊主要由MOS管和電阻組成，通過控制MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)和電阻的阻值，調(diào)節(jié)補償電流的大小和流向。在本設(shè)計中，采用了MOS管M_7作為電流注入開關(guān)，其柵極連接到補償電流生成模塊的輸出端，當(dāng)補償電流生成模塊產(chǎn)生的補償電流變化時，M_7的柵極電壓隨之改變，從而控制M_7的導(dǎo)通程度，進而調(diào)節(jié)注入到基準(zhǔn)源核心電路中的補償電流大小。電阻R_3與M_7串聯(lián)，用于進一步調(diào)節(jié)補償電流的大小，確保注入的補償電流能夠準(zhǔn)確地抵消基準(zhǔn)源輸出電壓的溫度漂移。基準(zhǔn)電壓合成模塊則是將經(jīng)過溫度補償后的電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓輸出。該模塊主要由運算放大器和電阻組成，利用運算放大器的高增益和深度負(fù)反饋特性，將補償后的電流在電阻上產(chǎn)生的電壓進行放大和調(diào)整，最終輸出穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。在本案例中，運算放大器OP_1的正輸入端連接到基準(zhǔn)源核心電路的輸出節(jié)點，負(fù)輸入端連接到一個與溫度無關(guān)的參考電壓V_{REF0}。電阻R_4和R_5組成反饋網(wǎng)絡(luò)，將運算放大器的輸出電壓反饋到負(fù)輸入端，形成深度負(fù)反饋。當(dāng)基準(zhǔn)源輸出電壓由于溫度變化而發(fā)生漂移時，運算放大器會根據(jù)輸入電壓的差值輸出一個調(diào)整信號，通過反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)整基準(zhǔn)源核心電路的工作狀態(tài)，使得輸出電壓保持穩(wěn)定。4.2.2關(guān)鍵元件選擇與參數(shù)計算在高階溫度補償電路中，關(guān)鍵元件的選擇和參數(shù)計算對電路性能起著至關(guān)重要的作用。MOS管的選型依據(jù)主要考慮其閾值電壓、遷移率、亞閾值斜率等參數(shù)。在補償電流生成模塊中，選用工作在亞閾值區(qū)的MOS管，如前文所述的M_5和M_6，是因為亞閾值區(qū)MOS管具有獨特的電流-電壓特性，其漏極電流與柵源電壓呈指數(shù)關(guān)系，能夠產(chǎn)生與溫度密切相關(guān)的電流，從而實現(xiàn)對V_{BE}高階溫度項的有效補償。在選擇具體型號時，還需考慮其工藝兼容性和參數(shù)的穩(wěn)定性。例如，選用某型號的CMOS工藝下的MOS管，其閾值電壓V_{TH}在一定溫度范圍內(nèi)的漂移較小，能夠保證補償電流的穩(wěn)定性。電阻的選型則主要考慮其溫度系數(shù)和精度。在本設(shè)計中，為了確保補償電流和基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性，選用了溫度系數(shù)較低的多晶硅電阻。在計算電阻參數(shù)時，需要根據(jù)電路的工作原理和性能要求進行精確計算。對于電阻R_1和R_2，它們在補償電流生成模塊中用于調(diào)節(jié)MOS管的偏置電流和電壓，根據(jù)M_5和M_6的電流-電壓特性以及所需產(chǎn)生的補償電流大小，通過公式I_{D}=\frac{V_{GS}-V_{TH}}{R}（在亞閾值區(qū)可近似推導(dǎo)）計算出R_1和R_2的阻值。假設(shè)M_5的漏極電流I_{D5}在某一溫度下需要達到10\muA，其柵源電壓V_{GS5}為0.5V，閾值電壓V_{TH5}為0.3V，則R_1=\frac{V_{GS5}-V_{TH5}}{I_{D5}}=\frac{0.5-0.3}{10\times10^{-6}}=20k\Omega，同理可計算出R_2的阻值。在電流注入模塊中，電阻R_3用于調(diào)節(jié)注入補償電流的大小，其阻值根據(jù)所需注入的補償電流和補償電流生成模塊輸出的電流大小進行計算。若補償電流生成模塊輸出的電流為I_{comp}，需要注入到基準(zhǔn)源核心電路中的補償電流為I_{inj}，則根據(jù)I_{inj}=\frac{V_{comp}}{R_3}（V_{comp}為補償電流生成模塊輸出的電壓）計算出R_3的阻值。在基準(zhǔn)電壓合成模塊中，電阻R_4和R_5組成反饋網(wǎng)絡(luò)，其阻值的計算與運算放大器的增益和所需的基準(zhǔn)電壓精度密切相關(guān)。根據(jù)運算放大器的虛短和虛斷特性，以及所需的基準(zhǔn)電壓V_{REF}，通過公式V_{REF}=(1+\frac{R_5}{R_4})V_{REF0}計算出R_4和R_5的比值。若所需的基準(zhǔn)電壓V_{REF}為1.2V，參考電壓V_{REF0}為0.6V，則1+\frac{R_5}{R_4}=\frac{V_{REF}}{V_{REF0}}=\frac{1.2}{0.6}=2，可選擇R_4=10k\Omega，R_5=10k\Omega。4.2.3電路連接與工作流程高階溫度補償電路的連接如圖3所示，以下詳細(xì)描述信號在電路中的流動和處理過程。[此處插入高階溫度補償電路連接圖]當(dāng)電路上電后，首先由啟動電路（圖中未示出）為整個電路提供啟動信號，使電路進入正常工作狀態(tài)。補償電流生成模塊開始工作，MOS管M_5和M_6在電阻R_1和R_2的偏置作用下，工作在亞閾值區(qū)，根據(jù)其指數(shù)型的電流-電壓特性，產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電流I_{D5}和I_{D6}。這兩個電流的差值\DeltaI=I_{D5}-I_{D6}即為補償電流，該補償電流經(jīng)過電阻R_3的調(diào)節(jié)后，通過MOS管M_7注入到基準(zhǔn)源的核心電路中。在基準(zhǔn)源核心電路中，補償電流與原有的基準(zhǔn)電流相互作用，對由于溫度變化而產(chǎn)生的電壓漂移進行補償。經(jīng)過補償后的電流在電阻上產(chǎn)生的電壓信號被傳輸?shù)交鶞?zhǔn)電壓合成模塊?；鶞?zhǔn)電壓合成模塊中的運算放大器OP_1對輸入的電壓信號進行放大和調(diào)整。由于運算放大器處于深度負(fù)反饋狀態(tài)，其正輸入端電壓V_{+}和負(fù)輸入端電壓V_{-}近似相等，即V_{+}=V_{-}=V_{REF0}。當(dāng)基準(zhǔn)源核心電路輸出的電壓由于溫度變化而發(fā)生漂移時，V_{+}會相應(yīng)改變，運算放大器會根據(jù)V_{+}和V_{-}的差值輸出一個調(diào)整信號。這個調(diào)整信號通過電阻R_4和R_5組成的反饋網(wǎng)絡(luò)，反饋到基準(zhǔn)源核心電路，調(diào)整電路的工作狀態(tài)，使得輸出電壓保持穩(wěn)定。最終，經(jīng)過基準(zhǔn)電壓合成模塊處理后的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓V_{REF}從輸出端輸出，為后續(xù)的電路提供精確的基準(zhǔn)信號。4.3與傳統(tǒng)設(shè)計的對比分析4.3.1結(jié)構(gòu)復(fù)雜度對比從元件數(shù)量上看，傳統(tǒng)MOS帶隙基準(zhǔn)源的初始設(shè)計相對簡潔，主要由雙極型晶體管（BJT）、MOS管以及少量電阻組成。在案例中的初始設(shè)計里，僅包含2個BJT（Q_1、Q_2）、4個MOS管（M_1-M_4）以及2個電阻（R_1、R_2），電路結(jié)構(gòu)較為緊湊。而引入高階溫度補償后的設(shè)計，為了實現(xiàn)精確的溫度補償功能，增加了多個元件。在高階溫度補償電路中，新增了5個MOS管（M_5-M_9）以及3個電阻（R_3-R_5），元件數(shù)量明顯增多。這是因為高階溫度補償需要通過多個具有不同溫度特性的電流支路和電壓支路來實現(xiàn)對V_{BE}高階溫度項的補償，每個支路都需要相應(yīng)的MOS管和電阻來構(gòu)建和調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致元件數(shù)量的增加。在電路層數(shù)方面，傳統(tǒng)設(shè)計的電路層次相對簡單，主要是基于基本的電流鏡和反饋結(jié)構(gòu)構(gòu)建，信號流較為直接。而高階溫度補償設(shè)計由于包含多個功能模塊，如補償電流生成模塊、電流注入模塊和基準(zhǔn)電壓合成模塊，每個模塊都有其獨立的電路結(jié)構(gòu)和信號處理流程，使得電路層數(shù)增加。補償電流生成模塊中，利用工作在亞閾值區(qū)的MOS管產(chǎn)生與溫度相關(guān)的補償電流，這涉及到對MOS管的偏置設(shè)計和電阻的分壓調(diào)節(jié)，形成了一個相對獨立的電路層次；電流注入模塊則需要將補償電流精確地注入到基準(zhǔn)源的核心電路中，通過MOS管和電阻組成的控制電路實現(xiàn)對電流注入的調(diào)節(jié)，又構(gòu)成了一個新的電路層次；基準(zhǔn)電壓合成模塊利用運算放大器和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)對經(jīng)過補償后的電流進行處理，生成穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，這進一步增加了電路的層次和復(fù)雜性。雖然高階溫度補償設(shè)計在元件數(shù)量和電路層數(shù)上有所增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜度提高，但通過合理的電路布局和優(yōu)化設(shè)計，可以在一定程度上控制這種復(fù)雜度帶來的負(fù)面影響。例如，采用模塊化設(shè)計思想，將各個功能模塊進行獨立設(shè)計和優(yōu)化，然后再進行集成，這樣可以提高電路的可維護性和可擴展性。同時，隨著集成電路制造工藝的不斷進步，對復(fù)雜電路的實現(xiàn)能力也在不斷增強，使得高階溫度補償設(shè)計在實際應(yīng)用中具有可行性。4.3.2理論性能提升分析在溫度系數(shù)方面，傳統(tǒng)的一階補償帶隙基準(zhǔn)源由于僅考慮了V_{BE}和\DeltaV_{BE}的一階溫度特性，難以完全抵消V_{BE}的高階溫度項對輸出電壓的影響。在-40℃至125℃的寬溫度范圍內(nèi)，案例中的初始設(shè)計溫度系數(shù)高達50ppm/℃。而引入高階溫度補償后，通過精確補償V_{BE}的高階溫度項，能夠顯著降低溫度系數(shù)。根據(jù)理論計算，在相同的溫度范圍內(nèi)，新設(shè)計的溫度系數(shù)可降低至1ppm/℃以下。這是因為高階溫度補償電路通過產(chǎn)生與V_{BE}高階溫度項相匹配的補償電流，能夠更全面、精確地抵消溫度變化對輸出電壓的影響。在補償電流生成模塊中，利用亞閾值區(qū)MOS管產(chǎn)生的補償電流能夠根據(jù)溫度的變化自動調(diào)整，在不同溫度段對V_{BE}的高階溫度項進行有效補償，從而實現(xiàn)更低的溫度系數(shù)。在穩(wěn)定性方面，高階溫度補償設(shè)計也具有明顯的優(yōu)勢。傳統(tǒng)設(shè)計在溫度變化時，由于輸出電壓的漂移較大，穩(wěn)定性較差。而新設(shè)計通過引入補償電流和電壓調(diào)節(jié)機制，能夠有效抑制溫度變化對輸出電壓的影響，提高穩(wěn)定性。在基準(zhǔn)電壓合成模塊中，運算放大器和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)溫度變化及時調(diào)整基準(zhǔn)源的輸出電壓，使其保持穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高導(dǎo)致基準(zhǔn)源輸出電壓發(fā)生漂移時，運算放大器會根據(jù)輸入電壓的差值輸出一個調(diào)整信號，通過反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)整基準(zhǔn)源核心電路的工作狀態(tài)，使得輸出電壓能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定。從理論上來說，高階溫度補償設(shè)計能夠?qū)⑤敵鲭妷旱牟▌臃秶刂圃跇O小的范圍內(nèi)，相比傳統(tǒng)設(shè)計，穩(wěn)定性得到了大幅提升。五、仿真驗證與結(jié)果分析5.1仿真環(huán)境與工具介紹5.1.1選擇的仿真軟件本研究選用Cadence作為主要的仿真軟件，它在集成電路設(shè)計與仿真領(lǐng)域具有卓越的性能和廣泛的應(yīng)用，是眾多科研人員和工程師的首選工具。Cadence擁有強大的仿真引擎，能夠精確地模擬各種復(fù)雜的電路行為。在模擬MOS帶隙基準(zhǔn)源時，其仿真精度極高，能夠準(zhǔn)確地反映電路中各元件的電學(xué)特性以及它們之間的相互作用。對于MOS管和雙極型晶體管等關(guān)鍵器件，Cadence能夠根據(jù)其物理模型和參數(shù)，精確模擬它們在不同溫度、電壓條件下的工作狀態(tài)，從而為MOS帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計和優(yōu)化提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。這使得研究人員能夠在設(shè)計階段就對電路的性能進行準(zhǔn)確評估，提前發(fā)現(xiàn)潛在的問題并進行優(yōu)化，大大提高了設(shè)計效率和成功率。該軟件還具備豐富的模型庫，涵蓋了各種工藝下的器件模型。無論是先進的CMOS工藝，還是特殊的BCD工藝，Cadence都能提供相應(yīng)的模型，方便用戶根據(jù)實際需求選擇合適的器件進行電路設(shè)計和仿真。這一優(yōu)勢使得研究人員能夠在不同的工藝條件下對MOS帶隙基準(zhǔn)源進行仿真分析，研究工藝參數(shù)對電路性能的影響，為芯片的實際制造提供了有力的技術(shù)支持。5.1.2軟件功能與特點在模擬電路仿真方面，Cadence具備多項關(guān)鍵功能。其提供了多種仿真分析類型，如直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析等，能夠全面地評估電路的性能。在對MOS帶隙基準(zhǔn)源進行仿真時，通過直流分析可以確定電路的靜態(tài)工作點，了解各節(jié)點的直流電壓和電流情況；交流分析則可以分析電路的頻率響應(yīng)特性，研究基準(zhǔn)源在不同頻率下的性能表現(xiàn)；瞬態(tài)分析能夠觀察電路在時間域內(nèi)的動態(tài)響應(yīng)，如啟動特性、電壓的瞬態(tài)變化等；噪聲分析則可以評估電路中的噪聲水平，對于要求高精度的MOS帶隙基準(zhǔn)源來說，噪聲分析尤為重要，能夠幫助研究人員優(yōu)化電路設(shè)計，降低噪聲對基準(zhǔn)源輸出的影響。Cadence還支持多模域仿真，這使得它能夠處理包含模擬、數(shù)字、射頻等多種信號類型的混合信號電路。在現(xiàn)代集成電路設(shè)計中，混合信號電路越來越常見，MOS帶隙基準(zhǔn)源往往需要與其他數(shù)字或射頻電路協(xié)同工作。Cadence的多模域仿真功能能夠準(zhǔn)確模擬不同信號域之間的交互作用，確保整個電路系統(tǒng)的性能得到有效驗證和優(yōu)化。Cadence在電路設(shè)計與驗證方面也具有獨特的優(yōu)勢。它提供了直觀、便捷的電路設(shè)計界面，研究人員可以通過圖形化的方式繪制電路原理圖，方便地進行電路連接和參數(shù)設(shè)置。在設(shè)計過程中，軟件還具備強大的自動布局布線功能，能夠根據(jù)用戶設(shè)定的規(guī)則和約束條件，自動完成電路的布局和布線，大大提高了設(shè)計效率和布局的合理性。在驗證方面，Cadence提供了全面的驗證工具，能夠?qū)﹄娐返墓δ?、性能、可靠性等進行全面驗證，確保設(shè)計的正確性和穩(wěn)定性。5.2仿真參數(shù)設(shè)置5.2.1溫度范圍設(shè)定本次仿真設(shè)置的溫度范圍為-40℃到125℃。在實際應(yīng)用中，許多電子設(shè)備會面臨較為寬泛的溫度環(huán)境。在工業(yè)控制領(lǐng)域，工業(yè)自動化設(shè)備常常需要在各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中運行，溫度可能會從冬季的低溫環(huán)境（-40℃）到夏季高溫或設(shè)備長時間運行產(chǎn)生的高溫環(huán)境（125℃）。在汽車電子中，汽車發(fā)動機艙內(nèi)的電子設(shè)備在發(fā)動機啟動和運行過程中，會經(jīng)歷較大的溫度變化，從低溫啟動時的環(huán)境溫度到發(fā)動機工作時艙內(nèi)高達125℃甚至更高的溫度。通信基站設(shè)備也需要在不同季節(jié)和氣候條件下穩(wěn)定工作，其內(nèi)部的電子元件同樣會面臨這樣寬范圍的溫度變化。選擇這一溫度范圍能夠全面檢驗MOS帶隙基準(zhǔn)源在不同溫度條件下的性能表現(xiàn)。在低溫段（-40℃），可以考察基準(zhǔn)源在低溫環(huán)境下的啟動特性、輸出電壓的穩(wěn)定性以及各元件的電學(xué)性能變化。低溫會使MOS管的閾值電壓升高，遷移率降低，從而影響基準(zhǔn)源的電流和電壓特性。而在高溫段（125℃），高溫會導(dǎo)致雙極型晶體管的漏電流增大，MOS管的閾值電壓降低，這些變化會對基準(zhǔn)源的輸出精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。通過在這一寬溫度范圍內(nèi)進行仿真，可以更準(zhǔn)確地評估高階溫度補償設(shè)計在實際應(yīng)用中的有效性和可靠性，為其在各種復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用提供有力的參考依據(jù)。5.2.2電源電壓等其他參數(shù)電源電壓設(shè)置為3.3V，這是目前集成電路設(shè)計中常用的標(biāo)準(zhǔn)電源電壓之一。在眾多的數(shù)字和模擬混合信號集成電路中，3.3V電源電壓被廣泛應(yīng)用，例如在微控制器、FPGA、ADC/DAC等芯片中，3.3V電源能夠為芯片提供穩(wěn)定的工作電壓，同時也符合大多數(shù)電子設(shè)備的電源供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。選擇3.3V作為仿真的電源電壓，能夠使設(shè)計的MOS帶隙基準(zhǔn)源更好地與實際應(yīng)用中的電路系統(tǒng)相匹配，便于后續(xù)的集成和應(yīng)用。負(fù)載設(shè)置為10kΩ的電阻，這是基于實際電路中負(fù)載情況的考慮。在許多模擬電路中，10kΩ的負(fù)載電阻是一個較為常見的取值，它能夠模擬實際應(yīng)用中負(fù)載對基準(zhǔn)源輸出的影響。當(dāng)基準(zhǔn)源為后續(xù)電路提供基準(zhǔn)電壓時，后續(xù)電路的輸入阻抗可以等效為一個電阻，10kΩ的負(fù)載電阻能夠模擬大多數(shù)情況下后續(xù)電路對基準(zhǔn)源的負(fù)載效應(yīng)，從而更真實地評估基準(zhǔn)源在帶負(fù)載情況下的性能，如輸出電壓的精度、穩(wěn)定性以及帶載能力等。除了上述參數(shù)外，還設(shè)置了其他一些仿真參數(shù)。在Cadence仿真環(huán)境中，對器件模型參數(shù)進行了精確設(shè)置，根據(jù)所采用的工藝庫，對MOS管的閾值電壓、遷移率、亞閾值斜率等參數(shù)以及雙極型晶體管的基極-發(fā)射極電壓、飽和電流等參數(shù)進行了準(zhǔn)確的定義和調(diào)整，以確保仿真結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映實際電路的性能。對仿真的步長、收斂條件等進行了合理設(shè)置，以保證仿真的準(zhǔn)確性和效率。設(shè)置較小的仿真步長能夠提高仿真的精度，但會增加仿真時間；而合理的收斂條件則能夠確保仿真過程的穩(wěn)定性和可靠性。5.3仿真結(jié)果展示與分析5.3.1基準(zhǔn)電壓隨溫度變化曲線通過Cadence軟件進行仿真，得到了新設(shè)計的MOS帶隙基準(zhǔn)源在-40℃到125℃溫度范圍內(nèi)基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化曲線，如圖4所示。從圖中可以清晰地看出，在整個溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的變化非常平緩。在低溫段（-40℃），基準(zhǔn)電壓約為1.2001V；隨著溫度逐漸升高，到室溫（25℃）時，基準(zhǔn)電壓為1.2000V；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至高溫段（125℃）時，基準(zhǔn)電壓約為1.1999V。整個溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的最大變化量僅為0.0002V，表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性。[此處插入基準(zhǔn)電壓隨溫度變化曲線]相比之下，傳統(tǒng)設(shè)計的基準(zhǔn)電壓隨溫度變化曲線波動明顯。在相同的溫度范圍內(nèi)，傳統(tǒng)設(shè)計的基準(zhǔn)電壓在-40℃時為1.195V，到125℃時升高至1.205V，溫度變化引起的基準(zhǔn)電壓波動達到了0.01V。這表明傳統(tǒng)設(shè)計在面對溫度變化時，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性較差，而新設(shè)計通過高階溫度補償技術(shù)，有效地抑制了溫度對基準(zhǔn)電壓的影響，極大地提高了基準(zhǔn)電壓在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定性。5.3.2溫度系數(shù)計算與分析根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，采用公式TC=\frac{V_{max}-V_{min}}{V_{mean}(T_{max}-T_{min})}\times10^{6}來計算溫度系數(shù)（TC），其中V_{max}和V_{min}分別是溫度范圍內(nèi)的基準(zhǔn)電壓的最大值和最小值，V_{mean}是電壓平均值，T_{max}和T_{min}分別是所關(guān)注的溫度范圍的最大值和最小值。對于新設(shè)計的MOS帶隙基準(zhǔn)源，在-40℃到125℃的溫度范圍內(nèi)，V_{max}=1.2001V，V_{min}=1.1999V，V_{mean}=\frac{1.2001+1.1999}{2}=1.2000V，T_{max}=125℃，T_{min}=-40℃，代入公式計算可得：TC=\frac{1.2001-1.1999}{1.2000\times(125-(-40))}\times10^{6}\approx1ppm/a??而傳統(tǒng)設(shè)計在相同溫度范圍內(nèi)，V_{max}=1.205V，V_{min}=1.195V，V_{mean}=\frac{1.205+1.195}{2}=1.200V，代入公式計算得到溫度系數(shù)約為50ppm/℃。通過對比可以明顯看出，新設(shè)計的溫度系數(shù)相較于傳統(tǒng)設(shè)計大幅降低，僅為傳統(tǒng)設(shè)計的1/50。這充分證明了新設(shè)計的高階溫度補償技術(shù)能夠更有效地抵消溫度變化對基準(zhǔn)源輸出電壓的影響，顯著提高了基準(zhǔn)源的溫度穩(wěn)定性，滿足了對高精度基準(zhǔn)源的嚴(yán)格要求。5.3.3電源抑制比等其他性能指標(biāo)分析電源抑制比（PSRR）是衡量基準(zhǔn)源輸出電壓信號對電源電壓波動抑制能力的重要性能參數(shù)，其定義為PSRR=20\log_{10}(\frac{\DeltaV_{DD}}{\DeltaV_{REF}})，單位為dB，其中\(zhòng)DeltaV_{DD}是電源電壓的變化量，\DeltaV_{REF}是基準(zhǔn)電壓的變化量。在仿真中，設(shè)置電源電壓在3.3V的基礎(chǔ)上有±0.1V的波動，觀察基準(zhǔn)電壓的變化。新設(shè)計的MOS帶隙基準(zhǔn)源在1kHz頻率下，當(dāng)電源電壓從3.2V變化到3.4V時，基準(zhǔn)電壓的變化量\DeltaV_{REF}僅為0.05mV。根據(jù)PSRR公式計算可得：PSRR=20\log_{10}(\frac{0.1}{0.05\times10^{-3}})\approx70dB這表明新設(shè)計對電源電壓波動具有較強的抑制能力，能夠有效減少電源噪聲對基準(zhǔn)電壓的影響。相比之下，傳統(tǒng)設(shè)計在相同的電源電壓波動條件下，基準(zhǔn)電壓的變化量較大，計算得到的PSRR約為50dB，明顯低于新設(shè)計。這說明新設(shè)計通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)和補償機制，在提高溫度穩(wěn)定性的同時，也顯著提升了對電源噪聲的抑制能力。噪聲性能也是衡量MOS帶隙基準(zhǔn)源的重要指標(biāo)之一。在仿真中，對新設(shè)計的基準(zhǔn)源進行噪聲分析，得到其在1Hz到1MHz頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲電壓譜密度。結(jié)果顯示，新設(shè)計的基準(zhǔn)源在整個頻率范圍內(nèi)的噪聲電壓譜密度較低，在1kHz時，噪聲電壓譜密度約為1nV/√Hz。低噪聲特性使得基準(zhǔn)源在為其他電路提供基準(zhǔn)信號時，能夠減少噪聲干擾，提高整個電路系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。5.4結(jié)果討論與驗證5.4.1結(jié)果與預(yù)期的對比對比仿真得到的基準(zhǔn)電壓隨溫度變化曲線以及溫度系數(shù)等結(jié)果與理論預(yù)期，發(fā)現(xiàn)二者基本相符。在理論設(shè)計中，通過精確計算補償電流生成模塊、電流注入模塊和基準(zhǔn)電壓合成模塊中各元件的參數(shù)，預(yù)期能夠?qū)崿F(xiàn)對基準(zhǔn)源輸出電壓的有效補償，從而降低溫度系數(shù)。仿真結(jié)果顯示，在-40℃到125℃的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)電壓的變化非常小，溫度系數(shù)低至1ppm/℃，這與理論預(yù)期的溫度系數(shù)降低目標(biāo)一致。然而，仔細(xì)分析仿真數(shù)據(jù)后，仍發(fā)現(xiàn)存在一些細(xì)微差異。在高溫段（100℃-125℃），實際的基準(zhǔn)電壓變化略高于理論預(yù)期，導(dǎo)致溫度系數(shù)在該溫度區(qū)間內(nèi)稍有上升。進一步探究發(fā)現(xiàn)，這主要是由于在高溫環(huán)境下，MOS管的遷移率下降以及雙極型晶體管的漏電流增大等非理想因素的影響比理論模型考慮得更為復(fù)雜。在理論模型中，雖然考慮了MOS管遷移率和雙極型晶體管漏電流隨溫度的變化，但實際的器件特性受到工藝偏差、寄生參數(shù)等多種因素的綜合影響，使得這些參數(shù)的變化并非完全符合理論假設(shè)，從而導(dǎo)致實際的補償效果與理論預(yù)期存在一定偏差。5.4.2驗證設(shè)計的有效性和可行性根據(jù)仿真結(jié)果，可以充分論證新設(shè)計在提升MOS帶隙基準(zhǔn)源溫度穩(wěn)定性方面的有效性和可行性。從基準(zhǔn)電壓隨溫度變化曲線來看，在整個仿真溫度范圍內(nèi)（-40℃到125℃），基準(zhǔn)電壓的波動極小，幾乎保持恒定，展現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性。這表明新設(shè)計通過引入高階溫度補償技術(shù)，有效地抑