低功耗电压基准源的设计
摘 要在集成电路设计中，有一个不可缺少的单元模块，那就是基准电压电路。在各种模拟集成电路、混合集成电路中，它都有被广泛地应用。比如模数（A/D）及数模（D/A）转换器等。芯片的供电电压和功耗随着集成电路特征尺寸的越来越小也在不断的降低，所以对基准源性能方面要求也就越来越高。基准源的温度稳定性以及电源电压抑制比（PSRR）等参数将影响整个电路系统的性能。同时，随着数模混合IC的不断进步，对基准源的有些参数比如温度系数、低功耗设计和电源抑制比（PSRR）都提出了更高的标准。这些要求无疑使得带隙基准源的设计承担了更艰巨的任务。带隙基准源在电源管理芯片中有着不可轻忽的地位，它是最基础、最重要的单元模块，而高性能的带隙基准源则是研究的重中之重。我们所说的高性能的带隙基准源，它包含很多方面的性能指标。比如，低温度系数的带隙基准源，这种带隙基准源让基准源的输出随温度的改变而改变的比较轻微；还有高电源抑制比（PSRR）的基准源，它能让带隙基准源具备更高的抗干扰能力；电源调整率（Line Regulation）较低的带隙基准源，这种基准源随着电源电压的改变其对基准源输出的变化没有太大影响。综上所述，必须设计出性能优秀的带隙基准源,才能保证整个电路拥有高性能。带隙基准电源它也是一种对工作温度不是很敏感的精准参考电源。将具有负温度系数的三极管基-射极电压（VBE）以恰当的比例与具有正温度系数的电压叠加在一起，则可以获得一个零温度系数的电压输出。在标准带隙基准电路中，我们可以以调整电阻的比例的方法来产生合适的比例系数。在标准的CMOS工艺中，电阻模型的精确度不是很高，这就需要通过激光调修来保证它的精度，同时电阻会占用较大的芯片面积，导致生产成本高，效率低。而本论文中运用工作在亚阈值的MOS管则使电路结构简单、低功耗，并且性能可以与传统基准媲美。本文首先简要介绍了基准电压源的国内外研究历史及研究近况，介绍了基准电压源的技术指标，阐述了基准电压源的原理。其次，介绍了传统的带隙基准的原理以及设计，在此基础上，基于TSMC 0.35μm工艺，按照设计要求实现了一种低功耗基准电压源。后用Cadence设计电路并且仿真，结果显示，电路基本达到了设计要求，具备良好的性能指标。第一章是，简要地叙述了本设计的背景、意义、国内外研究的近况和未来趋势、论文的主要内容和结构的安排。
目 录
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/> 第一章 绪论 1
1.1研究课题的背景及意义 1
1.2国内外研究历史及现状 2
1.3本论文的主要工作及结构安排 2
第二章 传统带隙电压基准设计 4
2.1 工作原理 4
2.1.1负温度系数电压 4
2.1.2正温度系数电压 4
2.1.3实现零温度系数的基准电压 5
2.2传统设计结构 6
第三章 低功耗电压基准设计 8
3.1设计原理 8
3.1.1 亚阈值区MOS管电压电流对温度的表达式 8
3.1.2本设计中与PVT无关的Vo产生机理 9
3.2启动电路设计 11
3.3本设计关注的主要性能指标 13
3.4预期性能指标 13
第四章 电路设计与仿真 15
4.1参数设计 15
4.2电路仿真 17
4.3仿真结果分析 21
结束语 23
致谢 24
参考文献 25
绪论
1.1研究课题的背景及意义
模拟电路广泛地说可以包括两种，即电压基准和电流基准。基准源的重要性能参数有温度系数，电源抑制比PSRR，线性调整率（Line Regulation），功率等等。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度（T）的关系是确定的。产生基准是为了构建一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。所谓基准电压源是指能提供高精度、高稳定度基准量的电源,它被普遍地在模数转换器（）、数模转换器（）、稳压器等电路中使用。
随着现在微电子技术和通信技术的进步，IC已走入超深亚微米时代，它的发展方向一直是追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗。在进步的同时，IC一步步与其他科学和技术相联系，产生新的方向，新的学科和专业，不断的使传统专业分工的格局发生变化，促使SOC系统（System on Chip）越来越复杂。这对模拟电路基础模块的电压，功耗，精度和速度等，产生了更加高的标准，传统的带隙基准源电路结构逐步地很难达到新的标准。
所以近几年来，国内外的研究者都开始对传统带隙基准源进行改进，主要是在降低TC，提高电源抑制比，使带隙基准可以工作在低电源电压下，表现出低功耗、低噪声、低温度、高精度等特点这些方面。在2005年以前，我国对带隙基准源电路的研究不是很多，这方面的论文和资料也很少见，但最近几年，带隙基准源电路越来越受国内外学者的关注和研究，相关的科研项目也越来越多。虽然研究者们对带隙基准源电路的改进仍有很多缺陷，不可以同时达到低功耗、低噪声、低温度、高精度等特性，但总的进步趋势不错，也列举了一些对传统带隙基准源电路的改进方式。电压基准源为集成电路芯片提供高精度的基准电压（Reference Voltage）。当工艺、温度、电源电压乃至负载发生改变时，杰出的基准源要维持相较稳定的状态以满足系统高精度的要求。由于带隙基准电压源可以满足高电源抑制比以及低温度系数（TC），该电路结构是目前各类基准电压源电路中性能最好的结构。它的温度稳定性和抗噪性能对整个电路系统的精度和性能都有影响。
在技术中，最常用的一类电压基准是带隙基准，它是通过寄生的双极型晶体管来实现的，这也导致了它会占用较大的芯片面积，结构变复杂，并且功耗普遍偏大。对此，本文中给出一种结构简单，功耗低，并且性能可以媲美传统基准的新型基准电路。该电路的基准输出生成原理类似于电压模带隙基准，但不运用寄生的双极型晶体管。
1.2国内外研究历史及现状
过去，大家运用反向击穿的齐纳二极管可以产生基准电压，通过将齐纳二极管和正向偏置的二极管串联，当反向电压高于时，齐纳二极管发生雪崩击穿，具备正温度系数，而正向偏置的二极管具有负温度系数，通过两者的叠加得到了零温度系数的输出。但是，由于齐纳二极管不可以与CMOS工艺兼容，而且这种基准电压源的静态电流较大，长期稳定性差并且精度不是很高，所以目前已经很少使用了。带隙基准电压源构造简便、性能高和功耗低等许多优势，让它变成主流的基准源。
随着带隙基准的进步，它的性能也不断地提升。这几年，国内外重点从以下几个角度对高性能的带隙基准源进行研究：
第一种是低温度系数带隙基准，环境温度的改变会对带隙基准源性能参数造成较严重的影响，因为较大的温度系数可以使得电路输出浮动大，而浮动的带隙基准源输出又会使得电源管理芯片的稳定性不好，这对于那种要求精度比较严格的电路会表现地特别突出。所以我们通常都会通过引入高阶温度补偿来减小温度系数。
第二种是低压低功耗带隙基准，这几年，便携式的电子产品快速发展，它们得到了许多购买者的喜爱，因此这些商品的市场也在不断地扩大。无论是从节能方面来说，还是从工艺的发展前景来说，低功耗的带隙基准都将成为未来必定的前进趋向。因为工艺中的线宽按比例缩小这个理论的持续发展，使得器件尺寸正在持续减小，于是就提高了器件的工作效率，解决了电路工作速率低的这个问题，与双极型工艺技术比较，它有了更大的好处。近几年来，IC规模持续扩张，高集成度的系统级芯片设计飞速进步，这种进步得到了业内的许多关注。由此可见，设计性能好的带隙基准源将是一种未来发展的必然趋向。
第三种是低电源抑制比带隙基准，电源电压生成的噪声会带动电路的一些性能参数的变化，随着射频IC以及数模混合电路的不断进步，高频噪声以及数字电路生成的噪声一定程度地影响着电路系统的稳定性，因此，扩大带隙基准源的PSRR对增强系统的稳定性起着重要作用。
1.3本论文的主要工作及结构安排
本文主要是由下面几个部分组成：
第二章介绍了传统带隙基准源的设计，首先介绍了它的基本工作原理以及构造，然后简析两种不同构造的传统带隙基准电路。
第三章是本论文的重点，这一章首先讨论了本设计的带隙基准的设计原理，并介绍了低功耗电压基准的启动电路设计，同时关注本设计的各种性能指标。
第四章主要介绍了本设计电路的设计与仿真，首先对参数进行设计，其次正式进入仿真并对给出的仿真结果进行分析研究，所使用的软件是cadence。
第五章是结束语，是对本设计的低功耗电压基准电路的设计工作总结，并对展望其未来发展。
之后是致谢，对家人、朋友、同学、导师、学校的感谢。最后是本论文的参考文献。
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1.1研究课题的背景及意义 1
1.2国内外研究历史及现状 2
1.3本论文的主要工作及结构安排 2
第二章 传统带隙电压基准设计 4
2.1 工作原理 4
2.1.1负温度系数电压 4
2.1.2正温度系数电压 4
2.1.3实现零温度系数的基准电压 5
2.2传统设计结构 6
第三章 低功耗电压基准设计 8
3.1设计原理 8
3.1.1 亚阈值区MOS管电压电流对温度的表达式 8
3.1.2本设计中与PVT无关的Vo产生机理 9
3.2启动电路设计 11
3.3本设计关注的主要性能指标 13
3.4预期性能指标 13
第四章 电路设计与仿真 15
4.1参数设计 15
4.2电路仿真 17
4.3仿真结果分析 21
结束语 23
致谢 24
参考文献 25
绪论
1.1研究课题的背景及意义
模拟电路广泛地说可以包括两种，即电压基准和电流基准。基准源的重要性能参数有温度系数，电源抑制比PSRR，线性调整率（Line Regulation），功率等等。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度（T）的关系是确定的。产生基准是为了构建一个与电源和工艺无关、具有确定温度特性的直流电压或电流。所谓基准电压源是指能提供高精度、高稳定度基准量的电源,它被普遍地在模数转换器（）、数模转换器（）、稳压器等电路中使用。
随着现在微电子技术和通信技术的进步，IC已走入超深亚微米时代，它的发展方向一直是追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗。在进步的同时，IC一步步与其他科学和技术相联系，产生新的方向，新的学科和专业，不断的使传统专业分工的格局发生变化，促使SOC系统（System on Chip）越来越复杂。这对模拟电路基础模块的电压，功耗，精度和速度等，产生了更加高的标准，传统的带隙基准源电路结构逐步地很难达到新的标准。
所以近几年来，国内外的研究者都开始对传统带隙基准源进行改进，主要是在降低TC，提高电源抑制比，使带隙基准可以工作在低电源电压下，表现出低功耗、低噪声、低温度、高精度等特点这些方面。在2005年以前，我国对带隙基准源电路的研究不是很多，这方面的论文和资料也很少见，但最近几年，带隙基准源电路越来越受国内外学者的关注和研究，相关的科研项目也越来越多。虽然研究者们对带隙基准源电路的改进仍有很多缺陷，不可以同时达到低功耗、低噪声、低温度、高精度等特性，但总的进步趋势不错，也列举了一些对传统带隙基准源电路的改进方式。电压基准源为集成电路芯片提供高精度的基准电压（Reference Voltage）。当工艺、温度、电源电压乃至负载发生改变时，杰出的基准源要维持相较稳定的状态以满足系统高精度的要求。由于带隙基准电压源可以满足高电源抑制比以及低温度系数（TC），该电路结构是目前各类基准电压源电路中性能最好的结构。它的温度稳定性和抗噪性能对整个电路系统的精度和性能都有影响。
在技术中，最常用的一类电压基准是带隙基准，它是通过寄生的双极型晶体管来实现的，这也导致了它会占用较大的芯片面积，结构变复杂，并且功耗普遍偏大。对此，本文中给出一种结构简单，功耗低，并且性能可以媲美传统基准的新型基准电路。该电路的基准输出生成原理类似于电压模带隙基准，但不运用寄生的双极型晶体管。
1.2国内外研究历史及现状
过去，大家运用反向击穿的齐纳二极管可以产生基准电压，通过将齐纳二极管和正向偏置的二极管串联，当反向电压高于时，齐纳二极管发生雪崩击穿，具备正温度系数，而正向偏置的二极管具有负温度系数，通过两者的叠加得到了零温度系数的输出。但是，由于齐纳二极管不可以与CMOS工艺兼容，而且这种基准电压源的静态电流较大，长期稳定性差并且精度不是很高，所以目前已经很少使用了。带隙基准电压源构造简便、性能高和功耗低等许多优势，让它变成主流的基准源。
随着带隙基准的进步，它的性能也不断地提升。这几年，国内外重点从以下几个角度对高性能的带隙基准源进行研究：
第一种是低温度系数带隙基准，环境温度的改变会对带隙基准源性能参数造成较严重的影响，因为较大的温度系数可以使得电路输出浮动大，而浮动的带隙基准源输出又会使得电源管理芯片的稳定性不好，这对于那种要求精度比较严格的电路会表现地特别突出。所以我们通常都会通过引入高阶温度补偿来减小温度系数。
第二种是低压低功耗带隙基准，这几年，便携式的电子产品快速发展，它们得到了许多购买者的喜爱，因此这些商品的市场也在不断地扩大。无论是从节能方面来说，还是从工艺的发展前景来说，低功耗的带隙基准都将成为未来必定的前进趋向。因为工艺中的线宽按比例缩小这个理论的持续发展，使得器件尺寸正在持续减小，于是就提高了器件的工作效率，解决了电路工作速率低的这个问题，与双极型工艺技术比较，它有了更大的好处。近几年来，IC规模持续扩张，高集成度的系统级芯片设计飞速进步，这种进步得到了业内的许多关注。由此可见，设计性能好的带隙基准源将是一种未来发展的必然趋向。
第三种是低电源抑制比带隙基准，电源电压生成的噪声会带动电路的一些性能参数的变化，随着射频IC以及数模混合电路的不断进步，高频噪声以及数字电路生成的噪声一定程度地影响着电路系统的稳定性，因此，扩大带隙基准源的PSRR对增强系统的稳定性起着重要作用。
1.3本论文的主要工作及结构安排
本文主要是由下面几个部分组成：
第二章介绍了传统带隙基准源的设计，首先介绍了它的基本工作原理以及构造，然后简析两种不同构造的传统带隙基准电路。
第三章是本论文的重点，这一章首先讨论了本设计的带隙基准的设计原理，并介绍了低功耗电压基准的启动电路设计，同时关注本设计的各种性能指标。
第四章主要介绍了本设计电路的设计与仿真，首先对参数进行设计，其次正式进入仿真并对给出的仿真结果进行分析研究，所使用的软件是cadence。
第五章是结束语，是对本设计的低功耗电压基准电路的设计工作总结，并对展望其未来发展。
之后是致谢，对家人、朋友、同学、导师、学校的感谢。最后是本论文的参考文献。
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