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高精度带隙基准电压源的研究：基于高阶温度补偿的0.18微米CMOS工艺实现
作者及机构
本研究由Shalin Huang、Mingdong Li、Huan Li、Peng Yin、Zhou Shu、Amine Bermak和Fang Tang共同完成。其中，Shalin Huang、Mingdong Li、Huan Li、Peng Yin、Zhou Shu和Fang Tang均来自重庆大学高性能集成电路重庆工程实验室，Amine Bermak则来自卡塔尔哈马德·本·哈利法大学。该研究发表于2022年4月的《IEEE Transactions on Circuits and Systems—I: Regular Papers》期刊。
学术背景
带隙基准电压源（Bandgap Voltage Reference, BGR）是电子系统中提供稳定工作点的关键组件。自Widlar提出BGR技术以来，该技术已被广泛应用于生成片上基准电压。然而，传统的BGR设计在温度系数（Temperature Coefficient, TC）方面存在较大局限性，通常只能实现20~100 ppm/°C的TC。为了在宽温度范围内保持高精度，高阶温度补偿技术被引入以消除BJT基极-发射极电压（Vbe）中的非线性项。本研究旨在通过结合强反型MOSFET和BJT，生成高阶补偿信号，以抵消Vbe中的高次非线性项，从而在宽温度范围内实现低TC。
研究流程
1. 高阶补偿方案的设计
本研究提出了一种高阶温度补偿方案，通过结合强反型MOSFET和BJT生成补偿信号。补偿信号的解析形式为t exp(f(t))，能够与Vbe中的t ln(t)项相匹配，从而实现非线性补偿。补偿电路的核心由两个BJT和两个强反型MOSFET组成，通过调整电阻网络对TC和输出电压幅度进行微调。
电路实现与仿真
研究团队在0.18微米CMOS工艺中实现了所提出的BGR电路。电路包括偏置电流生成器、高阶补偿电流生成器和基准电压核心电路。通过Spectre仿真验证了补偿电路的有效性，并进行了后仿真以评估不同工艺角下的TC表现。仿真结果显示，在应用高阶补偿后，TC从9.3 ppm/°C显著降低至0.611 ppm/°C。
电阻微调网络
为了实现更精确的TC控制，研究团队采用了8位二进制加权电阻微调网络。通过调整电阻值，能够有效抑制工艺和封装变化对输出电压的影响。微调网络的设计使得输出电压能够在2.031 V至2.284 V范围内调整，并最终稳定在2.14 V。
测量与验证
研究团队在0.18微米混合信号CMOS工艺中制造了所提出的BGR电路，并进行了实验室测试。测试结果显示，在3.2 V至3.7 V的电源电压范围内，线路灵敏度为0.0146%/V，功耗从377 μA增加至571 μA。在-25°C至125°C的温度范围内，TC最低为0.706 ppm/°C，平均TC为1.076 ppm/°C。此外，电路的电源抑制比（PSR）在10 Hz时为-63.4 dB，噪声频谱密度在10 Hz时为0.92 μV/√Hz。
主要结果
1. 高阶补偿的有效性
仿真和测试结果均表明，所提出的高阶补偿方案能够显著降低BGR的TC。在未补偿情况下，TC为9.3 ppm/°C，而应用补偿后，TC降至0.611 ppm/°C。
电阻微调的效果
通过8位二进制加权电阻微调网络，能够有效抑制工艺和封装变化对输出电压的影响，使得输出电压在宽温度范围内保持稳定。
电路性能
所提出的BGR电路在0.18微米CMOS工艺中实现了低TC、高PSR和低噪声性能，适用于高精度应用场景，如高分辨率ADC和高性能电压调节器。
结论
本研究提出了一种基于高阶温度补偿的高精度带隙基准电压源，通过结合强反型MOSFET和BJT生成补偿信号，有效抵消了Vbe中的非线性项。所提出的BGR电路在0.18微米CMOS工艺中实现了0.706 ppm/°C的最低TC，并在宽温度范围内表现出优异的稳定性。该研究为高精度基准电压源的设计提供了新的思路，具有重要的科学价值和应用前景。
研究亮点
1. 高阶补偿方案的创新性
通过结合强反型MOSFET和BJT生成补偿信号，首次实现了对Vbe中t ln(t)项的高效补偿。
低TC性能
在0.18微米CMOS工艺中实现了低于1 ppm/°C的TC，显著优于传统BGR设计。
宽温度范围稳定性
所提出的BGR电路在-25°C至125°C的温度范围内表现出优异的稳定性，适用于多种高精度应用场景。
其他有价值的内容
研究团队还详细分析了补偿电路的数学模型，并通过仿真验证了模型的准确性。此外，所提出的电阻微调网络设计为其他高精度电路的设计提供了参考。
这篇报告详细介绍了该研究的背景、方法、结果和意义，为相关领域的研究人员提供了全面的参考。