模拟集成电路设计系列博客——3.1.2 基准电路

3.1.2 基准电路

已知绝对值的电压和电流在集成电路的交互处，或者是集成电路和其他分立部件之间是最有用的。例如，两个集成电路需要交互时，规定通过一伏摆幅的信号来进行。参考电压或者电流有时从电源中分配而出，但电源并不一定有着充足的控制精度，这种情况下参考电压或者参考电流就需要通过一个集成参考电路来产生。不幸的是，尽管无量纲的元素可以在集成电路中精确控制（比如器件的长宽比），但只有很少的有量纲元素不会随着不同的集成电路，或者温度的变化，而发生改变。

例子1.

下图中的晶体管\(Q_1\)的参数\(W/L=10\)，\(\mu_nC_{ox}=190\mu A/V^2\)，\(V_{tn}=0.45V\)。电阻\(R=20k\Omega\)，\(V_{DD}=1.5V\)。如果\(\mu_nC_{ox}\)减小30%，\(R\)减小10%，\(V_{tn}\)增大\(30mV\)，\(V_{DD}\)增大\(100mV\)的话，\(V_{o}\)会改变多少？

解答：

假定\(Q_1\)遵循简单的平方律，并无视其有限输出阻抗来求得一个近似答案，那么\(V_o\)可以通过求解下面的方程得到：

\[\frac{V_{DD}-V_o}{R}=\frac{1}{2}\mu_n C_{ox}\frac{W}{L}(V_o-V_{tn})^2 \tag{3.1.6} \]

对\((3.1.6)\)进行求解，只取\(V_o > V_{tn}\)的有效解：

\[V_o=V_{tn}+\frac{1}{\mu_nC_{ox}(W/L)R}[\sqrt{2(V_{DD}-V_{tn})\mu_nC_{ox}(W/L)R+1}-1]\tag{3.1.7} \]

将原始条件代入\((3.1.7)\)，可以求出\(V_o=660mV\)。在上述条件变化之后，新的\(V_o=747mV\)，这代表着因为器件变化的原因\(V_o\)改变了13%，这是很显著的改变。

在集成电路中最常用的产生高精度参考（以产生1%甚至更好的精度）的常用方式是带隙基准源。其输出的固定值不随温度，掺杂浓度或者器件尺寸而改变。