低功耗cmos电压参考电路的设计研究毕业设计(编辑修改稿)

低功耗cmos电压参考电路的设计研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

性能越好，即基准电源越不受供电电源的影响。 1994 1. 前言 4 年， 设计的带隙基准源中去除了运放负反馈模块，电路在在低频时 PSRR 达到 95 dB，在 1MHZ 时电路 PSRR 也可以维持在 40dB 左右 [21]。 提高 PSRR 的方法有以下几种：在基准电压输出支路添加大负载电容 [22]；在电路中构造共源共栅电流镜 [23]；提高运算放大器的增益和电源抑制比 [24]。 在最新的文献 [25]中， Yuanming Zhu， Fei Liu 等采用特殊的启动电路，设计了一款高 PSRR 的基准源电路，在直流工作状态下 PSRR 高达 115 dB，在 10MHZ工作状态下 PSRR 也可以保持 90 dB。 低功耗基准源（ Low power bandgap reference circuit） 随着芯片集成度的不断提高，尤其是近几年便携式电子产品和可穿戴设备井喷式的发展，集成电路性能指标中低功耗已然成为现在最炙手可热的研究课题。 20xx 年， Lasanen 等基于 μm 的标准双层多晶硅 n 阱 CMOS 工艺（ doublepoly nwell CMOS preocess）设计了一款低功耗 CMOS 基准电路，电路工作在亚阈值区，通过 采用大阻值 Nwell 电阻来降低电路的静态电流以达到降低功耗的目的 [26]。 20xx 年， Luis enrique de 等人设计的电路中没有使用双极性晶体管，只有电阻和工作在亚阈值区的 MOS 管。 在 V 的电源电压就可以正常工作，输出基准电压为 514 mV，温度系数为 20 ppm/℃ 在 0℃ 到 100℃范围内 [27]。 20xx 年，Shailesh Singh Chouhan 采用 μm 标准 CMOS 工艺，设计了一款运用于低压差线性稳压器（ LDO）的低功耗基准电压源，其功耗约 2 μW[8]。 现在最前沿的技术已经将基准源的功耗从 μW 级降到了 nW 级，关于这方面的文献也比较多，例如文 献 [19]中，在 μm 工艺下，实现了 nW 的低功耗带隙基准源的设计。 以及文献 [28]中， Luca Magnelli, Felice Crupi等设计了一款最低可工作在 V 的纯 CMOS 基准电压源，其功耗低达 nW。 通过阅读大量文献以及了解低功耗基准源发展史后，总结出低功耗设计的首选方案是工作在亚阈值区的 CMOS 电路。 如今，静态电流已经成为功耗设计的瓶颈，采用工作在亚阈值区的阈值电压的温度特性可以设计更低功耗的电路。 另外，通过采用阻值较大的电阻可以降低电路的功耗，然而是以牺牲硅面积 为代价，因此不太适用于 SoC 的设计。 最后，浮栅MOS 器件加入电路设计可以获得高性能的超低功耗电路，然而其工艺复杂，成本过高，不适用于大规模集成电路设计与生产。 本文主要工作和论文结构 作者通过阅读大量的最近几年国内外关于低功耗带隙基准电压源的文献，并进行深入的研习和对比分析各个方案的优劣之处，总结和归纳各种电路的构造原理。 熟练掌握工作在亚阈值区 MOSFET 的 IV 特性和温度特性，基于台积电 (TSMC) μm标准 CMOS 制作工艺，设计符合性能指标要求的低功耗带隙基准电压源。 通过使用 Cadence Spectre 软件对所设计的电路进行各方面性能指标的仿真，并对电路反复进行改进和进一步仿真，从而得到最佳的电路结构和参数。 虽然不同的低功耗基准源设计文献有不同的原理和电路构造方法，然而从众多文献的阅读中中可以得出结论：现在进行低功耗基准源设计的最佳方案是采取工作在亚阈值区的CMOS 电路。 由于集成电路产业的飞速发展和片上系统集成度的日益上升，功耗这项性能 1. 前言 5 指标已被众多设计者放在首要位置。 近几年，便携式设备和可穿戴设备迅速发展，这些设备的续航能力也对低压、低功耗带隙基准源提出了新的需求。 当 CMOS 电路工作 在亚阈值区时，其漏 源电压 (Vds)最低可以低至 100 mV 以下，这样就可以在低电源电压下电路也能够拥有令人满意的电压摆幅，亚阈值 CMOS 电路也适合在低压下运作，因此十分符合当今以及未来集成电路产业的需求。 本文主要内容如下安排： 第一章是前言，通过查阅相关资料，介绍了本文的选题背景，总结概括了基准源的发展史、国内外发展现状，列举了本文的主要工作和结构。 第二章是对基准源的理论分析，简要说明了基准源的分类，以及几种基准源的性能比较；阐述了传统带隙基准源的结构和基本原理；详细介绍了基准源的几个重要性能指标。 第三章主要介绍工作在亚阈值区的 MOSFET 的模型，包括以 p 衬 n 阱 的标准 NMOS 器件 为例介绍 MOS 器件的物理结构；解析 MOS 器件阈值电压的公式；并对亚阈值区 MOS管的电特性 (I～ V 特性 )以及亚阈值区 MOS 管栅 源电压 (Vgs)的温度特性进行简要介绍。 第四章本文基于 TSMC μm 标准 CMOS 制作工艺，设计了一款工作在亚阈值区的新型低压、低功耗、 CMOS 基准源电路。 并对其设计原理 (亚阈值区 MOS 管阈值电压的温度特性 )进行简要介绍、对电路结构以及各器件参数的确定等进行说明，并对其各方面性能参数进行仿真和 分析。 第五章进行总结，概括本文的基本结构和设计结果，并对未来低功耗基准源的发展提出预想。 2. 基准源的理论分析 6 基准源的分类 基准源经过几十年的发展，由于其应用广泛，各种各样的设计方案层出不穷。 下面介绍三种基准电压源 ：掩埋齐纳二极管 基准电压源、 XFET 基准电压源、 带隙 基准电压源等。 下面进行简要的介绍： 掩埋型齐纳二极管基准源 利用齐纳二极管 (稳压二极管 )制作基准电压源的历史可以追溯到上世纪中期，起初人们的方法是将一个工作在反向状态 的齐纳二极管与一个工作在正向导通状态的二极管串联，搭建简单的基准源。 其构造原理是工作在击穿状态的齐纳二极管具有正温度系数，而正向导通的二极管具有负温度系数。 由于他们的温度特性数值大小比较接近，人们可以很简单的利用两者进行加权相加以获得理论上与温度无关的电压源。 掩埋型齐纳二极管是对传统齐纳二极管基准源的改进，改进后的基准源温度系数和噪声特性等性能指标得到大幅度的提升。 然而掩埋型齐纳二极管的一个重要缺陷就是不适合在低压下进行工作。 图 掩埋型齐纳二极管基准源 XFET 基准源 XFET(eXtra implantation junction Field Effect Transistor)基准 源一种有别于流行的带隙基准源和传统的掩埋齐纳二极管基准源的新型基准源，发明于上世纪九十年代 [29]。 XFET 基准源核心电路是由一对具有不同夹断电压的 P 沟道结场型场效应管 (Pchannel Junction field effect transistor)和一个用来提升输出特性的运算放大器模块构成。 XFET 拥有带隙基准源的地电压工作的特点，也拥有掩埋型齐纳二极 管基准源的噪音小的特性。 这项技术已被证明适用于太空作业以及核能系统中。 2. 基准源的理论分析 7 带隙基准源 带隙基准源 (Bandgap Reference， BGR)是使用最广泛、相对性能最好、种类最多的基准源。 带隙基准源的原理可由下式进行简要说明： 0// 211   TVTV  （ 21） 式中 V1 和 V2 分别是电路中具有相反温度系数的电压， α1 和 α2 是 选定的系数。 输出基准电压可以表示为 2211 VVV re f  。 图 所示的是一种经典的带隙基准电压源。 Q4R2I2VR EFQ2R1I10VC CIR3Q1Q3 图 经典 Widlar 带隙基准源 带隙基准电压源有别于其他种类基准电压源的特点有： （ 1） 低温度系数，其温度系数一般可达 20～ 60 ppm/℃ ，可以在变化的环境温度下保持较高的输出稳定性。 （ 2） 电源电压 低，不同于齐纳二极管基准源，带隙基准电压源的电压可以工作在较宽的电压幅度内， 最低可在 sub1 V 的工作环境下运行。 （ 3） 电源抑制比大，输出电压受供电电源的影响比较小。 经典带隙基准源的结构和原理 经典带隙基准源核心部分由两部分电路叠加而成，即拥有 正温度系数的电压 产生电路(PTAT ， proportionaltoabsolutetemperature)和拥有 负温度系数的 电压产生电路 (CTAT ，plementarytoabsolutetemperature)。 在大多数基准源设计中， PTAT 电压产生电路选用热电压 VT， 而 CTAT 电压产生电路选用双极性晶体管的基极 发射极电压 (VBE)。 输出基准表达式为： TBEREF KVVV  （ 22） 2. 基准源的理论分析 8 当式 (22)中的 K 取一个合适的值时， VBE 和 KVT 可以进行相互抵消，使整体电路的温度系数为零 ， 即 可得到 理论上不随外界温度变化 的基准电压 源。 图 基准电压产生示意图 负温度系数电压的实现 由前面章节可以了解到双极性晶体管的基极 发射极电压 (VBE)拥有典型的负温度特性，因此常常被用来当做带隙基准源的负温度系数电压的产生电路。 下面将进行详细的公式推导，来帮助理解带隙基准源的设计原理。 双极性器件的集电极电流可以表达为： )exp(TBESC VVII  （ 23） 上式中 中 热电压 VT=kT/q，饱和电流 IS∝ μkTni2 ，其中 μ 表示 少数载流子的迁移率， ni为硅 材料 的本征载流子浓度。 其中 μ 与温度的关系可以表示为 μ∝ μ0Tm ，其中 m≈ ，ni 与温度的关系为： )ex p (32 kTETn gi  （ 24） (24)中的 Eg 为 本征硅材料 的 禁带宽度 ，其值 约为 eV 左右。 可得出饱和电流 为： )e x p (4 kTEgbTI mS   （ 25） 式 (25)中的 b 为一个比例系数 ， VBE 的表达式如下式所示 ： SCTBE IIVV ln （ 26） 2. 基准源的理论分析 9 令 VBE 对 T 求偏导，来得出 VBE 与温度的具体关系表达式。 值得一提的是，集电极电流 IC 大小也同样与温度有关，然而为了令理解和分析简化，在这 里暂时假设 IC 是不随温度发生改变的恒定值。 因此可以得出： TIIVIITVTV SSTSCTBE  ln （ 27） 由式 (25)可得出 ： 243 )e x p ()e x p ()4( kTEkTEbTkTETmbTI ggmgmS   （ 28） TgTSST VkTETVmTIIV 2)4(  （ 29） 由式 (27)和 (29)可以得 : T qEVmVVkTETVmIITVTV gTBETgTSCTBE /)4()4(ln 2  （ 210） 式 (210)表明了在给定的温度下， VBE 的温度系数也是一个常数 ， 并且 ， 其值 与 VBE 本身大小有关。 又因为 VBE 通常小于 Eg /q， 所以 可以得出 VBE 与 温度是。