低压与曲率补偿带隙
传统带隙输出约 1.25 V,在 V 的先进工艺中不可用;同时一阶补偿后残留的曲率项(±0.5–2 mV)限制了精度上限。本页汇总两条进阶路线:低压拓扑与曲率校正,并给出多教材方案的取舍。
前后关系
前置知识:带隙基准设计(一阶补偿原理)、PTAT与CTAT电流生成(PTAT² 与温度系数) 后续延伸:带隙基准误差预算(误差与修调) 外部关联:基准源知识地图(hub)、CMOS电压参考系统设计与误差分析(系统级误差视角)、温度补偿与亚1V基准设计技术
低压拓扑(三种主流方案)
| 方案 | 原理 | 优点 | 代价 |
|---|---|---|---|
| 电阻分压输出 | 对 V 分压 | 最简单 | 噪声与失调同比放大 |
| 求和型(电流模式) | PTAT 与 CTAT 电流在电阻上求和产生 输出 | 低压、可调输出 | 需精确电流镜与电阻比 |
| 亚阈值 CMOS | 用亚阈值 替代 | 极低电压、全 MOS | 受 电压依赖与失配影响 |
- Sansen 的 <1V 方案属于求和型:,通过 PTAT 电流在输出电阻上产生压降
- Baker 的 MOSFET-only 基准:完全排除电阻( 倍乘结构),消除电阻工艺偏差,代价是精度依赖器件匹配
曲率补偿路线
| 路线 | 机制 | 适用 |
|---|---|---|
| PTAT² 电流注入 | 产生 的校正电流抵消 项 | 模拟域高精度(Rincon-Mora §2.5) |
| 电阻 TC 组合 | 用不同 TC 电阻加权拟合曲率 | 低成本、中等精度 |
| 数字域比率校正 | 利用 比率测量中曲率部分抵消,数字多项式校正 | 温度传感器/数字辅助(Pertijs §3.5) |
| 分段补偿 | 按温度区间切换补偿电流 | 宽温区、高精度 |
短沟道与工艺影响
- 短沟道 效应降低电流镜精度:,需 Cascode 或增大沟道长度
- 有限 (衬底 PNP 的 β 仅 5–25): 含 依赖项,可用 CGDB(电流增益相关偏置)抵消(见 带隙基准误差预算)
- 封装应力与 Trim:塑料封装应力引起低压曲率漂移,需修调与表征(见 基准Trim封装应力与表征)
方案取舍(经验)
- V、精度优先:传统带隙 + 曲率补偿
- V、面积优先:求和型低压带隙(需低失调运放)
- 全 MOS、无电阻工艺:亚阈值/β 倍乘基准(精度让位于可制造性)
- 数字辅助系统:比率测量 + 数字校正(传感器类应用首选)
设计检查清单
- 低压下运放输入共模范围与输出摆幅
- 曲率补偿系数对工艺角的鲁棒性
- 修调分辨率与测试成本
- 噪声(低压方案的分压/求和网络会放大噪声)
参考文献
- B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2nd ed., §12.7-12.8.
- W. Sansen, Analog Design Essentials, Ch.16.
- G. A. Rincon-Mora, Voltage References, §2.5.
- R. J. Baker, CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation, 3rd ed., §23.
- M. Pertijs, J. Huijsing, Precision Temperature Sensors in CMOS Technology, §3.5.