带隙与亚阈值 CMOS 基准

在数据转换器（ADC/DAC）和线性稳压器（LDO）中，基准电压源直接影响整个系统的精度。带隙基准的核心思想并非寻找一种“无温漂器件”，而是用正温度系数（PTAT）抵消负温度系数（CTAT），在特定温度点实现一阶零温漂。

温度补偿的基本思路

恒定电流下，BJT 的基极—发射极电压 VBE 随温度上升而下降。它的负温度系数并非一个常数，这是带隙基准存在高阶温度非线性（曲率误差）的物理根源。

将两个 BJT 偏置在不同的集电极电流密度下，它们的结电压之差 ΔVBE 为正温度系数电压。将 VBE 与加权后的 ΔVBE 相加，即可抵消一阶温漂：

V_ref = V_BE + KΔV_BE

除了电压求和模式，在低压设计中还可采用电流模：分别产生负温漂电流与正温漂电流，在输出负载电阻上求和得到可缩放的基准电压。一阶补偿并不消除曲率误差。

运放利用相等集电极负载电阻，强制两管的集电极电流与集电极—发射极电压相等，减小厄利效应引起的误差；两管发射极面积不同，产生所需的电流密度差。

图：Brokaw 电压基准。

这一结构需要独立集电极节点的 BJT。有限电流增益引起的基极电流也会带来误差，需要在电路设计中考虑补偿。

标准 CMOS 工艺可以利用纵向寄生 BJT 实现带隙基准。以 n-well 工艺为例，利用阱作基极、衬底作集电极构成纵向寄生 PNP。

这类器件的一个限制是基极串联电阻较大。为减小基极电阻压降误差，需要限制偏置电流，并结合工艺器件模型与版图进行检查；运放输入失调电压同样会影响基准精度。

亚阈值 CMOS 基准采用全 MOS 实现，工作在弱反型区，适合低功耗应用。其基本思路仍是利用不同温度特性的电压进行补偿。

图：亚阈值 CMOS 基准。

弱反型区的电流呈指数关系，可用较小的偏置电流工作，但对工艺阈值电压漂移及漏电流较敏感。选择基准架构时，需要在精度、供电电压、功耗与工艺条件之间折中；高精度设计还需考虑失调消除与高阶曲率补偿。

此外，自偏置基准可能存在零电流平衡点，启动电路需要保证上电后进入目标工作点。