本文介绍了一篇发表在《IEICE Electronics Express》期刊上的研究论文，题为《A 0.98 ppm/°C, High PSR, Low Noise Curvature-Compensated CMOS Bandgap Reference with Resistor-Less Low-Pass Filter》。该研究由Chenchen Ye、Erxi Fang、Siyuan Qi和Haoyang Ping共同完成，他们分别来自苏州大学电子信息工程学院和未来科学与工程学院。论文于2024年5月28日公开发表，旨在设计一种具有高电源抑制比（PSR, Power Supply Rejection）、低噪声和曲率补偿的带隙基准电压源，并采用无电阻低通滤波器以优化性能。

学术背景

带隙基准电压源在模拟和混合信号集成电路中扮演着至关重要的角色，广泛应用于模数转换器、电源转换器、线性稳压器和锁相环等电路中。其稳定性和性能直接影响整个芯片系统的表现。然而，传统的带隙基准电压源通常采用一阶补偿技术，温度系数（TC, Temperature Coefficient）较高，且难以抑制电源纹波。为此，研究者提出了高阶曲率补偿技术，以进一步降低温度系数，同时通过预调节结构和无电阻低通滤波器提升电源抑制比和噪声性能。

研究流程

研究分为多个步骤，主要包括电路设计、仿真验证和实验测试。以下是详细流程：

1. 电路设计
   研究者提出了一种基于0.18微米CMOS工艺的带隙基准电压源电路，其核心结构包括预调节结构、带隙核心电路、高阶曲率补偿电路、无电阻低通滤波器、开关控制电路、电流源偏置电路和运算放大器电路。

   • 预调节结构：通过内部稳压电源为带隙核心电路供电，减少电源电压波动对输出参考电压的影响，从而提升电源抑制比。
     
   • 带隙核心电路：采用基于电压的结构，通过调整电阻比例实现一阶温度系数的补偿。
     
   • 高阶曲率补偿电路：通过专用补偿电路消除高阶温度系数，进一步降低温度依赖性。
     
   • 无电阻低通滤波器：利用MOS器件特性实现低通滤波功能，减少芯片面积占用，同时提升中高频段的电源抑制比和噪声性能。
     
   • 开关控制电路：通过控制PMOS开关的导通和截止，缩短电路的建立时间。

2. 仿真验证
   研究者对电路进行了详细的仿真分析，包括温度系数、电源抑制比和噪声性能的仿真。仿真结果表明，该电路在-35°C至135°C温度范围内的平均温度系数为0.98 ppm/°C，且在10 Hz、100 kHz和100 MHz频率下的电源抑制比分别为-143.7 dB、-90.1 dB和-134.0 dB。此外，电路的输出噪声在10 Hz、10 kHz和1 MHz频率下分别为7.73 nV/√Hz、30.60 pV/√Hz和11.75 pV/√Hz。

3. 实验测试
   研究者在SMIC 0.18微米工艺下实现了该电路，并进行了实验测试。测试结果显示，经过修调后，电路在不同工艺角下的平均温度系数为0.98 ppm/°C，且电源抑制比在全频率范围内均表现出色。蒙特卡洛分析进一步验证了修调电路对降低工艺偏差和失配影响的显著效果。

主要结果

1. 温度系数：通过高阶曲率补偿，电路的平均温度系数从12.76 ppm/°C降至0.98 ppm/°C，显著提升了温度稳定性。
   
2. 电源抑制比：预调节结构和无电阻低通滤波器的引入使电路在全频率范围内实现了高电源抑制比，最低值达到69.7 dB。
   
3. 噪声性能：无电阻低通滤波器有效降低了电路的输出噪声，在10 Hz、10 kHz和1 MHz频率下的噪声分别降至7.73 nV/√Hz、30.60 pV/√Hz和11.75 pV/√Hz。

结论

该研究提出了一种具有低温度系数、高电源抑制比和低噪声的带隙基准电压源电路，并通过高阶曲率补偿和无电阻低通滤波器显著提升了电路性能。实验结果表明，该电路在高精度和低噪声应用中具有广泛的应用前景。

研究亮点

1. 创新性设计：首次将高阶曲率补偿与无电阻低通滤波器结合，实现了低温度系数和高电源抑制比。
   
2. 优化性能：通过预调节结构和修调电路，显著降低了工艺偏差和失配对电路性能的影响。
   
3. 广泛应用性：该电路在高精度模拟和混合信号集成电路中具有重要的应用价值。

其他有价值的内容

研究者还对比了该电路与其他文献中提出的带隙基准电压源，结果表明其在温度系数、电源抑制比和噪声性能方面具有显著优势。此外，研究得到了中国国家重点研发计划的支持，进一步凸显了其学术和应用价值。