在高壓集成電路的設(shè)計(jì)中，基準(zhǔn)電壓源扮演著至關(guān)重要的角色，它提供了一個(gè)與電源電壓、工藝參數(shù)和溫度變化無關(guān)的穩(wěn)定參考電壓，是模擬電路、電源管理以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等模塊正常工作的基石。隨著集成電路向高壓、高功率應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，如工業(yè)控制、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備和顯示驅(qū)動(dòng)，對基準(zhǔn)電壓源的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。本文將探討用于高壓集成電路的基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)原理、關(guān)鍵挑戰(zhàn)以及主流實(shí)現(xiàn)方案。

一、 基準(zhǔn)電壓源的核心要求與高壓設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

一個(gè)理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)具備高精度、低溫度系數(shù)、高電源抑制比以及良好的長期穩(wěn)定性。在高壓環(huán)境中，這些要求面臨額外挑戰(zhàn)：

1. 高壓兼容性：核心器件（如晶體管、電阻）必須能夠承受遠(yuǎn)高于常規(guī)CMOS工藝（如3.3V或5V）的電壓，通常需要數(shù)十伏甚至數(shù)百伏。這往往需要采用特殊的高壓工藝（如BCD工藝）或器件結(jié)構(gòu)（如LDMOS）。
2. 功耗與面積：高壓器件通常尺寸較大，且工作在高電壓下，靜態(tài)功耗和芯片面積的控制變得更為困難。
3. 噪聲與穩(wěn)定性：高壓電源本身可能引入更多噪聲，且高壓下的寄生效應(yīng)（如漏電、熱載流子效應(yīng)）更顯著，可能影響基準(zhǔn)的長期穩(wěn)定性和精度。
4. 啟動(dòng)特性：在高壓下，需要確保電路能夠可靠、快速地啟動(dòng)，避免陷入不希望的穩(wěn)定狀態(tài)。

二、 主流設(shè)計(jì)架構(gòu)

高壓基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)通常基于成熟的低壓基準(zhǔn)原理，但需要進(jìn)行高壓適應(yīng)性改造。主要架構(gòu)包括：

1. 帶隙基準(zhǔn)電壓源的拓展：

• 原理：利用雙極型晶體管（BJT）基極-發(fā)射極電壓（VBE）的負(fù)溫度系數(shù)和熱電壓（VT=kT/q）的正溫度系數(shù)相互補(bǔ)償，產(chǎn)生一個(gè)近似零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓（約1.25V）。

• 高壓實(shí)現(xiàn)：在高壓工藝中，BJT可能不可用或性能受限。常見的替代方案是使用高壓MOSFET工作在亞閾值區(qū)來模擬BJT的指數(shù)特性，或者利用高壓工藝中的寄生PNP/NPN晶體管。運(yùn)算放大器（運(yùn)放）和電流鏡等輔助電路也必須采用高壓器件實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于確保這些高壓器件在寬電壓范圍內(nèi)的匹配性和線性度。

1. 基于齊納二極管的基準(zhǔn)：

• 原理：利用齊納二極管或雪崩二極管的擊穿電壓作為基準(zhǔn)。其電壓較高（通常>5V），且在一定電流范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。

• 高壓實(shí)現(xiàn)：這種結(jié)構(gòu)天然適合高壓應(yīng)用。設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于提供一個(gè)精準(zhǔn)、穩(wěn)定的偏置電流源，并采取措施（如溫度補(bǔ)償電路、緩沖放大器）來改善其溫度系數(shù)和輸出阻抗。其缺點(diǎn)是噪聲通常較大，功耗相對較高。

1. 分壓式基準(zhǔn)：

• 原理：利用高精度電阻分壓網(wǎng)絡(luò)從高壓電源中分出一個(gè)較低的參考電壓。

• 高壓實(shí)現(xiàn)：這是結(jié)構(gòu)最簡單的方案，但其精度直接受電源電壓波動(dòng)和電阻溫度系數(shù)的影響，電源抑制比很差。通常需要與一個(gè)低壓精密的帶隙基準(zhǔn)核心結(jié)合使用：首先由高壓分壓和穩(wěn)壓電路產(chǎn)生一個(gè)中間電壓，再由此電壓為低壓帶隙基準(zhǔn)電路供電，最后輸出一個(gè)高精度的低電壓基準(zhǔn)。這種分級結(jié)構(gòu)能有效平衡性能和高壓承受能力。

三、 關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)與考量

1. 啟動(dòng)電路：必須設(shè)計(jì)可靠的啟動(dòng)電路，確保在各種工藝角和溫度下，基準(zhǔn)核心能脫離零電流的簡并點(diǎn)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在高壓下，啟動(dòng)電路本身也需具備高壓耐受能力。
2. 曲率補(bǔ)償：基本的帶隙基準(zhǔn)輸出電壓隨溫度呈“碗形”曲線，存在高階非線性誤差。在要求極高的應(yīng)用中，需要引入曲率補(bǔ)償技術(shù)（例如利用不同電流密度下V_BE的差值）來進(jìn)一步壓低溫度系數(shù)。
3. 修調(diào)技術(shù)：由于工藝偏差，初始的基準(zhǔn)電壓可能存在偏移。片上集成修調(diào)電路（如激光熔絲、電可編程熔絲或非易失性存儲(chǔ)器）可以在測試階段對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到所需的精度。
4. 布局與匹配：核心器件（如匹配的晶體管、電阻）的版圖設(shè)計(jì)必須遵循嚴(yán)格的對稱和共質(zhì)心規(guī)則，以減小工藝梯度效應(yīng)和熱梯度效應(yīng)引起的失配，這對精度至關(guān)重要。
5. 電源抑制比增強(qiáng)：通過采用共源共柵電流鏡、高增益運(yùn)放反饋以及合理的電源去耦設(shè)計(jì)，可以顯著提升基準(zhǔn)電壓對電源噪聲的抑制能力。

四、 結(jié)論與展望

設(shè)計(jì)一種用于高壓集成電路的基準(zhǔn)電壓源是一項(xiàng)多目標(biāo)優(yōu)化的工程。工程師必須在精度、溫度穩(wěn)定性、電源抑制比、功耗、面積以及高壓可靠性之間做出權(quán)衡。目前，基于高壓兼容的帶隙基準(zhǔn)架構(gòu)和分級式（高壓預(yù)處理+低壓精調(diào)）架構(gòu)是主流和可靠的選擇。隨著工藝的進(jìn)步，未來可能出現(xiàn)集成度更高、性能更優(yōu)、能直接工作在更高電壓下的單片基準(zhǔn)源解決方案。針對特定應(yīng)用（如汽車級AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)）對高溫、高可靠性的要求，基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì)也將更多地融入可靠性分析和魯棒性設(shè)計(jì)理念。