精密基准误差分析与输出级设计

精密基准(precision reference)不仅是温度补偿电压源,更须对工艺、电源、负载与噪声全面免疫。本页基于 Rincon-Mora《Voltage References》Ch.4,覆盖:六类寄生误差的闭式传播公式与 RSS 合成(Example 4.1)、输出级三模式与 regulated/unregulated 判据、PSR 与 line regulation 的 cascode/pseudo-supply 设计方法。


Designing Precision Reference Circuits(Ch.4 定位)

Ch.4 的命题:温度补偿只是精密基准的起点,最终精度由寄生误差、输出级结构与电源免疫能力共同决定。本章给出误差源的闭式传播公式、输出级的 regulated/unregulated 设计判据,以及 PSR/line regulation 的系统化提升手段。


1. 误差源总览(§4.1)

温度补偿之外的六类主要误差(以 Brokaw cell 为载体分析,Appendix A.4 给出完整推导):

误差源典型量级作用路径
电阻相对失配 0.1–5%改变 PTAT 电压增益系数
电阻绝对容差 10–30%改变 绝对值 → 经 对数压缩后弱化
电流镜失配 0.5–5%同时污染 项与 PTAT 电压项
NPN 失配 0.5–5 mV 失调等效失调叠加在 R 上改变
Early 电压(有限输出电阻)工艺相关两管 不等 → PTAT 电流误差
电阻 TCA、B 系数二阶多项式随温度漂移

基准关系式:

关键闭式结果(Table 4.1):

Example 4.1(RSS 合成):六误差平方和开方 ≈ ±25.2 mV(1.2 V 基准即 ±2.1%),其中 Early 电压(17.2 mV)与镜像失配(15.7 mV)是两大主导项——工程含义:用 cascode 镜并保证两管 相等是性价比最高的改进。

阶数-敏感度定律:校正阶数越高(零阶→一阶→二阶),温漂本底越小,寄生误差相对占比越大。低阶基准可容忍的失配,在曲率校正基准中可能成为主导误差。

1.1 Appendix A.4 六误差源逐项推导(典型一阶带隙载体)

Resistor Mismatch(电阻相对失配)

比例偏差直接改变 PTAT 增益项,误差线性传递至输出(Eq.4.2),不受对数压缩保护——失配是 trim 的主要目标。

Resistor Tolerance(电阻绝对容差)

绝对容差 ±20–30% 改变 绝对值,但经 对数压缩后输出误差仅 (Eq.4.3),量级远小于失配项。

Current Mirror Mismatch(电流镜失配)

镜像比偏差同时污染 项与 PTAT 项(Eq.4.4),双重传播使其成为仅次于 Early 的主导项之一(Example 4.1:15.7 mV)。

Transistor Mismatch(晶体管失配)

NPN 对管 失调等效串联在 上改变 ,传播路径与镜像失配类似(Eq.4.5)。

Early Voltage(有限输出电阻)

两管 不等时 Early 效应直接偏置 PTAT 电流(Eq.4.6),Example 4.1 中最大单项(17.2 mV);对策:cascode 镜 + 强制 相等。

Resistors’ Temperature Coefficient(电阻温度系数)

电阻 A/B 二阶 TC 多项式(Eq.4.8)经两条支路引入额外温度漂移;Appendix B.4 证明电流模输出级可使电阻 TC 在输出电流中自动抵消。


2. 输出级(§4.2)

2.1 三种模式

  • 电压模(Voltage-mode):直接输出固定电压(~1.2 V),最简单,但受 约束
  • 电流模(Current-mode):输出 ,可在外部电阻上重建任意电压,低压友好;电流模输出电阻的 TC 随电阻比自动抵消(Appendix B.4)
  • 混合模(Mixed-mode):同时输出电压与 PTAT 电流分量,供曲率校正与 trim 使用(Appendix A.5 修调算法的载体)

2.2 Regulated vs Unregulated 判据

按输出电流能力划分:

输出电流分类说明
< 1 μAreference无源输出,靠旁路电容抗噪
1–100 μAregulated reference闭环缓冲输出,低阻抗
> 100 μAregulator即 LDO

Regulated 结构用反馈放大器驱动输出管,获得低输出阻抗与对噪声的快速反应能力(Design Example 4.2:regulated biCMOS 一阶带隙, kΩ, V)。


3. PSR 与 Line Regulation(§4.3)

3.1 基本关系

提高 PSR 的两条路:增大 (电源侧阻抗)或减小 。Line regulation 是 PSR 的直流(稳态)版本。

3.2 Cascode 提升电源侧阻抗

Regulated cascode 在此基础上再乘放大器增益 (Eq.4.14)。代价:电压裕度与静态电流开销,低压环境慎用。

3.3 Pseudo-supply(预稳压供电)

用一个 preregulator 产生干净的”伪电源”为基准核供电,PSR 效果为两级相乘(Eq.4.15–4.16):

实测效果:line regulation 从 175 mV/9V 降至 1.8 mV/9V(约两个数量级)。Design Example 4.3 给出 1.5–10 V 宽输入范围 preregulator 的完整设计(Appendix A.4 含 A.4.1–A.4.25 全部推导步骤)。


4. 与已有知识的关联

对比关系
CMOS电压参考系统设计与误差分析(Kok)Kok 的 6 类误差以 CMOS β-multiplier 为载体、强调 Pelgrom 统计;本页以 bipolar Brokaw 为载体、给出闭式传播公式与 RSS 定量合成
低压曲率校正带隙基准本页的 pseudo-supply 即该页 pre-regulated supply 的完整定量版(PSR 相乘、line reg 数据)
LDO稳压器设计技术regulated reference → regulator 是连续谱(100 μA 分界),LDO 即大电流端
电流镜基础与Cascode电流镜cascode 镜直接用于压制 Early 误差(Example 4.1 最大误差项)

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