带隙基准源研究现状与发展前景综述

带隙基准源研究现状与发展前景综述摘要：带隙基准源（BandgapReference），又称能隙基准源。由于其具有优异的温度稳定性，常用于高精度的电压参考。基准电压源是集成电路中一个重要的单元模块。它的温度稳定性以及抗噪声能力影响到整个系统的精度和性能。近年来，芯片系统集成（SOC）技术已经受到学术界及工业界广泛关注。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块提出了更高精度及速度的要求。而带隙基准源相较于传统基准源有诸多优点，应用广泛，研究价值大，发展前景良好。关键词：带隙基准源；集成电路；芯片系统集成；高精度1、引言输出不随温度、电源电压变化的基准源在模拟和混合集成电路中应用非常广泛,例如数据转换电路与稳压电路[1]。在集成电路中,有三种常用的基准源:掩埋齐纳(Zener)基准源、XFET基准源和带隙(Bandgap)基准源[2]。随着片上系统(SOC)的迅速发展,系统要求模拟集成模块能够兼容标准CMOS工艺,在SOC上,数字集成模块的噪声容易通过电源和地耦合到模拟集成模块,这要求模拟集成模块的PSRR非常高。同时,由于移动电子设备的逐渐增多,要求模拟集成电路的电源电压能够降至1V左右,功耗在μW量级上[3]。所以,尽管掩埋齐纳基准源和XFET基准源的输出温度稳定性非常好,但是它们的制造流程都不能兼容标准CMOS工艺,并且掩埋齐纳基准源的输出电压一般大于5V。带隙基准电压源包括双极型带隙基准源和CMOS带隙基准源,工艺条件宽。带隙基准电压源的性能较其他基准有了很大的飞跃。带隙基准输出电压受温度和电源电压影响小,并且其精度高。基准的初始精度、温度系数、长期漂移、噪声电压等性能指标从低到高覆盖面比较宽,适用于多种不同精度要求的系统中。该类基准既有为通常目的设计的类型,也有静态电流小至几十微安,输入输出电压差较低而适用于电池供电场合的产品,因而应用范围很宽。综合来看,带隙基准性能良好,价格适中,是性价比最高的电压基准。但是传统的带隙基准电路存在很多问题，在温度系数，功耗，PSRR等方面无法达到现今集成电路设计的要求。近几年针对这些问题，很多国内学者从温度系数，PSRR，功耗，精度等方面对其进行了改进，取得了十分不错的进展。如今，带隙基准源在AD/DA、电源芯片、锁相环、高精度的电压表、电流表、欧姆表等领域有着很广泛的应用。2、基本原理带隙基准电压源的实现是由两个具有完全互补温度特性的电压相加实现的。一般方法是在一个随温度上升而下降的具有负温度系数的电压，加上一个随温度上升而上升的具有正温度系数的电压。从而实现输出电压的零温度系数。在带隙基准电压源中，是由具有正温度系数的热电压VT，和具有负温度系数的双极晶体管基极一发射极电压VBE相加构成。在半导体工艺的各种不同器件参数中，双极晶体管的特性参数被证实具有最好的重复性，并且具有能提供正温度系数和负温度系数的严格定义的量，双极电路形成了这类电路的核心，双极晶体管在标准CMOS工艺中的实现是通过n阱工艺来得到的。在n阱工艺中，pnp晶体管可以按图1实现，n阱中的p+区作为发射极，n阱本身作为基区，p型衬底作为集电区，并且必然接到最负的电源（通常为地）。图1在CMOS工艺中实现pnp双极晶体管3、国内外研究现状随着带隙基准的进步，它的性能也不断地提升。这几年，国内外重点从以下几个角度对高性能的带隙基准源进行研究：第一种是低温度系数带隙基准，其性能参数受环境温度变化的影响较大，因为较大的温度系数会导致电路输出的浮动，而浮动的带隙基准源输出又会影响电源管理芯片的稳定性，这对于要求精度较高的电路来说，会表现出特别明显的不足。第二种是低压低功耗带隙基准，这几年，便携式的电子产品快速发展，它们得到了许多购买者的喜爱论文网，因此这些商品的市场也在不断地扩大。无论是从节能方面来说，还是从工艺的发展前景来说，低功耗的带隙基准都将成为未来必定的前进趋向。因为工艺中的线宽按比例缩小这个理论的持续发展，使得器件尺寸正在持续减小，于是就提高了器件的工作效率，解决了电路工作速率低的这个问题，与双极型工艺技术比较，它有了更大的好处。近几年来，IC规模持续扩张，高集成度的系统级芯片设计飞速进步，这种进步得到了业内的许多关注。由此可见，设计性能好的带隙基准源将是一种未来发展的必然趋向。第三种是低电源抑制比带隙基准，电源电压生成的噪声会带动电路的一些性能参数的变化，随着射频IC以及数模混合电路的不断进步，高频噪声以及数字电路生成的噪声一定程度地影响着电路系统的稳定性。4、发展前景随着现代微电子技术和通信技术的发展，集成电路已进入超深亚微米时代，它的发展继续以追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗为目标。在发展的同时，集成电路逐渐与其它学科和技术相结合，形成新的方向，新的学科或专业，不断改变着传统专业分工的格局，使得SOC系统（SystemonChip)越来越复杂。这对模拟电路基本模块的电压、功耗、精度和速度等，提出了更高的要求。传统的带隙基准源电路结构渐渐难以适应设计需求。因此最近几年，国内外学者都着手于对传统带隙基准源进行改进，主要集中降低温度系数TC，提高了PSRR，以及使其能工作在低电源电压下，展现出低功耗，低噪声，低温漂、高精度等特性。虽然自2005年之前，我国对带隙基准源电路的研究十分少见，相关的论文和资料都是少之又少，但是最近几年，国内学者对带隙基准给予了相当大的重视，相关的研究课题和论文发表逐渐增多，其中提出了很多对传统的带隙基准电路改进的不错的方法和理论。虽然学者们对带隙基准源电路的改进还存在不少缺点，特别是不能同时满足低功耗，低噪声，低温漂、高精度等要求，但是总体的发展趋势良好。所以对带隙基准源的进一步研究和完善是很有必要的，这对整个集成电路设计的发展也是很重要的。带隙基准源电路的进一步改进和完善将会是朝着能够同时满足低功耗，低温度系数，高PSRR抑制比，低噪声，以及低电源工作电压等要求发展的。5、结语带隙基准源由于其各方面的综合优势,在集成电路中应用非常广泛,为系统提供不随温度、电源电压变化的基准电压或电流。它在不同的应用环境需要满足低电源电压、高精度、低功耗、高PSRR不同要求。因此,研究不同性能的带隙基准源是非常有意义的。本文概述了带隙基准源的基本原理,陈述了国内外最前沿的研究成果，指出了带隙基准源技术未来可能的发展趋势。参考文献：[1]幸新鹏,李冬梅,王志华,.CMOS带隙基准源研究现状[J].微电子学,2008,(1).[2]瞿美霞.CMOS带隙基准源的研究与实现[D].合肥工业大学:合肥工业大学,2008.[3]孟少鹏,柯导明,陈军宁.带隙基准电压源原理分析与应用[C].//计算机技术与应用进展.20