Gabriel A. Rincon-Mora 和 Phillip E. Allen 的研究论文《A 1.1-V Current-Mode and Piecewise-Linear Curvature-Corrected Bandgap Reference》于1998年10月发表在IEEE Journal of Solid-State Circuits上。该研究的主要目标是设计一种低电压、微功耗的带隙基准电压源(bandgap reference),能够在低至1.1V的输入电压下工作,并在相对廉价的MOSIS 2微米工艺中实现。这一研究背景源于移动电池供电产品(如手机、寻呼机、摄像机、笔记本电脑等)对低电压基准电路的需求,以提高电池效率和延长使用寿命。此外,随着工艺技术的发展,组件密度增加导致隔离屏障减少,进而降低了击穿电压,因此低电压操作成为必然趋势。
研究的主要创新点在于采用了一种新颖的电流模式分段线性曲率校正技术(current-mode piecewise-linear curvature-correction technique),通过引入非线性电流分量来抵消基准电压随温度变化的非线性行为。这种技术不仅能够实现低电压操作,还能在广泛的温度范围内保持高精度。研究的核心在于通过电流减法与非理想晶体管的特性来实现曲率校正,具体操作包括在温度范围的上半部分和下半部分分别调整电流分量,从而生成一个非线性电流,最终实现基准电压的温度补偿。
研究的详细工作流程包括以下几个步骤:首先,设计并实现了一个基于MOSIS 2微米n阱CMOS工艺的带隙基准电路,该电路采用了电流模式和电压模式混合架构,以提高温度补偿的灵活性。其次,通过实验验证了电路的温度漂移性能,结果显示在1.2V至10V的输入电压范围内,基准电压的线性调节性能为408 ppm/V,最大静态电流仅为14微安。此外,研究还提出了一种基于电阻比调整的修调算法,能够通过改变电阻比来优化温度系数和输出电压的精度。
研究的主要结果包括:在-15°C至90°C的温度范围内,基准电压的温度漂移小于20 ppm/°C;在1.1V的最低输入电压下,电路仍能正常工作。实验结果表明,该电路在低电压和微功耗条件下表现出色,具有广泛的应用前景。此外,研究还通过理论分析和实验验证,证明了所提出的曲率校正技术的有效性和可行性。
研究的结论是:该低电压、微功耗的带隙基准电路在廉价工艺中实现了高精度的温度补偿,适用于多种电池供电的电子设备。其创新性的曲率校正技术不仅提高了基准电压的稳定性,还降低了电路的复杂性和成本。此外,该研究为低电压基准电路的设计提供了一种新的思路,具有重要的科学价值和实际应用意义。
研究的亮点在于:首先,提出了一种新颖的电流模式分段线性曲率校正技术,能够在广泛的温度范围内实现高精度的基准电压;其次,该电路在低至1.1V的输入电压下仍能正常工作,适用于多种低电压应用场景;最后,研究还提出了一种基于电阻比调整的修调算法,能够通过简单的电阻调整来优化电路性能,提高了设计的灵活性和实用性。
此外,研究还探讨了电路在更高工艺技术中的潜在应用,例如在0.14微米工艺中,电源电压预计将降至0.9V,这进一步凸显了低电压基准电路设计的重要性。研究的成功不仅为低电压基准电路的设计提供了新的技术路线,还为电池供电电子设备的性能优化提供了重要的技术支持。