深层油气勘探是国家能源储备的关键领域,随着勘探深度的不断增加,井内环境温度不断升高。因此深层油气勘探需要高温仪器、高温电路以及高温元件的支持。带隙基准电路在集成电路中不可或缺的,为其他模块提供标尺作用。带隙基准电路的性能优劣受环境温度影响很大,因此对设计适用于高温环境的高精度带隙基准电路提出了挑战。目前市场上的高温基准模块产品基本来自国外厂商,因此本文以产品为导向,基于XFAB 0.18 μm高温CMOS工艺,研究、设计并优化了一款适用于高温环境的基础模块——带隙基准模块,既可以成为独立芯片,也可以作为IP内核在其他系统中应用。 本文综合对比了当今国内外对高温带隙基准电路的研究,给出了适合于产品化的性能指标。本文对高温带隙基准电路的原理进行了阐述,并针对提出的性能参数进行了电路设计、前仿真、版图设计、后仿真、流片,设计并实现了一款适用于高温环境的带隙基准电路。利用蒙特卡罗仿真来评估加工偏差对温度系数的影响,优化了量产过程中可能出现的良率问题。 本文的设计要点包括:将具有高阶曲率特性的电流注入到基准核心电路部分,实现曲率补偿;基准核心电路采用堆叠式晶体管搭建,减小了运放输入失调电压对带隙输出电压的影响;运放部分使用cascode结构和跟随式结构,使运放的增益和工作点满足宽温度范围带隙基准电路的要求。 仿真结果表明,优化后的电路在电压为3.3V,温度在-40~+175℃的范围内,VREF在1.206V到1.209V范围内变化,单点前仿真温度系数为13.3ppm/℃,单点后仿真温度系数为13.0ppm/℃。蒙特卡洛仿真结果表明,优化前后前仿真温度系数从45.2±37.5ppm/℃下降到21.8±7.4ppm/℃,后仿真温度系数从52.4±35.6ppm/℃下降到20.9±6.0ppm/℃。仿真结果说明优化效果显著,本电路在宽温度范围内具有低温度系数优势。