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背景介绍
基准电压源是模拟电路的『心脏』，为 ADC、DAC 等模块提供稳定参考。传统带隙基准采用 BJT 正负温度系数抵消原理，但存在两个致命缺陷：
- 电源抑制比 (PSRR) 通常仅 60dB 左右，容易受电源噪声干扰
- 输出电压温漂典型值约 20ppm/°C，难以满足精密仪器需求
技术对比
| 类型 | PSRR(dB) | 温漂(ppm/°C) | 最小工作电压 |
|---|---|---|---|
| 基本带隙 | 60-70 | 15-30 | 1.8V |
| 自偏置带隙 | 75-85 | 10-20 | 2.5V |
| cascode 带隙 | 90-110 | 1-5 | 3.3V |
实现细节
数学原理
cascode 结构通过堆叠晶体管，将电源扰动 ΔV 的传递函数改写为：
ΔVout/ΔVdd ≈ (gm1ro1)^-1 * (gm2ro2)^-1其中 gm 为跨导，ro 为输出阻抗。双级阻抗乘积使 PSRR 显著提升。
电路拓扑
circuit LR
VDD-->| 启动电路 | M3
M3-->|Cascode| M2
M2-->| 负反馈 | Q1
Q1-->|PTAT| R1
R1-->|CTAT| Q2
Q2-->| 偏置 | M1
M1-->M2仿真代码
// Cadence 仿真关键片段
simulator lang=spectre
global 0 vdd!
parameters vdd=3.3 temp=27
// 核心电流镜
M1 (n1 n1 n3 0) nmos l=0.35u w=10u // 增大尺寸降低 1 / f 噪声
M2 (n2 n1 0 0) nmos l=0.35u w=10u // 严格匹配 M1
M3 (n3 bias vdd! vdd!) pmos l=0.5u // Cascode 管
// 温度补偿网络
Q1 (n2 n2 0) npn m=8 // 8 个并联 BJT
Q2 (n4 n4 0) npn m=1 // 比例 8:1
R1 (n2 n4) resistor r=2.4k // 关键阻值
dc temp sweep -40 125 5 // 温度扫描步长 5°C实测数据
在 TSMC 0.18μm 工艺下实测：
– 3σ 温漂：2.7ppm/°C (@VDD=3.3V)
– 线性调整率：0.003%/V
– 功耗：180μA
避坑指南
版图匹配
- BJT 必须采用共质心布局
- 电流镜 MOS 管采用 dummy 栅极包围
- 电阻使用相同走向的蛇形结构
启动电路
最简单的 RC 启动电路可能失效，建议：1. 增加比较器检测零电流状态
2. 采用弱反型 MOS 做泄放通路
3. 设置超时复位机制工艺角仿真
必须覆盖：
1. 全局工艺角(FF/SS/TT)
2. 局部失配(蒙特卡洛分析 >100 次)
3. 电压极端条件(±10% VDD)
进阶思考
曲率补偿可通过：
1. 引入三阶温度项电路
2. 使用温度依赖电阻
3. 数字修调技术
开放式问题
- 当工作电压降至 2.5V 时，如何保持 cascode 管不进入线性区？
- 在 40nm 以下工艺中，BJT 缺失的情况下如何重构温度补偿网络？
正文完
