全cmos结构的高精度电压基准源【字数：11177】
摘 要本文采用了CSMS 0.18um工艺，利用了二极管连接的MOS管的负温度系数电压特性与在亚阈值状态工作的级联MOS管具有正温度系数电压进行叠加。设计了一款运行于亚阈值区的全CMOS结构的参考电压源，输出电压为0.495V，正常运行时电流在1.8V的电源电压下仅为8nA，具有低输出电压、低功耗的特征。在 -40℃--140℃的范围内，温度系数为11.2ppm/℃。电路在1V即可正常工作，具有宽工作电压范围，电源电压抑制比为-42.4dB,完全满足现代SOC设计的需求，也可应用于AD/DA转换芯片中，具有广泛的应用前景。
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2本文的研究工作 1
1.3本文的内容及结构 2
第二章 电路结构 3
2.1传统电压基准源 3
2.2本文设计的电压基准源电路 5
2.2.1 启动电路 5
2.2.2 电流镜电路 6
2.2.3 亚阈值电流产生电路与CTAT电压产生电路 7
2.2.4 正温度系数产生电路 9
2.2.5 总体结构 11
第三章 电路仿真 12
3.1 时域仿真及功耗 12
3.2 温度系数 12
3.3 输出电压随电源电压变化 13
3.4 电源电压抑制比 14
3.5 误差分析 14
3.6 测试结果与同类型设计的对比 15
第四章 版图设计 16
4.1 MOS管的结构与设计 16
4.2 版图绘制中的注意点 18
4.2.1 MOS管的结构 18
4.2.2 MOS管的匹配 19
4.2.3 闩锁效应 20
4.3 本设计中的电路版图及相关检查结果 21
4.3.1 版图设计 21
4.3.2 DRC检查 21
4.3.3 LVS检查 22
第五章 总结与展望 24
5.1 总结 24
5.2 今后的研究方向 24
参考文献 26 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
致谢 28
第一章 绪论
1.1 研究的背景及意义
随着电子信息行业在近五十年的飞速成长，集成电路作为其背后的支柱行业更是获得了极大的成长，从1958年TI发明的世界上首颗集成电路到今天的10nm先进工艺，其发展之迅猛是如今任何产业都望尘莫及的。戈登摩尔曾预言：当价格不变时，集成电路上可容纳的元件的数目，每隔1824个月便会增加一倍，性能也提升一倍[1]。该预言已精准预言了超过半世纪，尽管如今发展有所放缓，但在可以预见的将来，摩尔定律仍将指导着集成电路产业的发展。
在大部分模拟集成电路中，电压基准源为系统提供了一个与电源、温度无关的电压参考输出，其工作能力的优劣将直接决定整个系统的性能稳定。例如在模数/数模转换器中，基准电压参考源为输出提供了一个参考电压。在各种电源芯片中，电压基准源也为电源芯片的输出起着关键作用。如今随着物联网的发展，传感器也在我们生活中随处可见，而敏感元件本身受电源电压的影响非常大，只有高精度的电源电压为其供电才能使其在工作中保持稳定性。一款优秀的电压基准源必须具有较低的温度系数、较高的电源电压抑制比的特点。近年来，随着SOC（片上系统）的发展，低压低功耗成为设计中的重要关注点。另外电源电压随着工艺的特征尺寸降低而降低，在0.18um新工艺下，电源电压降低到1.8V，而传统结构的基准源输出是1.25V，这就变得十分不合适。
传统的电压基准源利用利用二极管在导通时具有的负温度系数的导通电压和两个流过相同电流但不同结面积的具有正温度系数的二极管电压差进行加权叠加，产生一个与温度无关的电压输出，但是在设计中无法避免的需要用到运算放大器使电路进入深度负反馈从而使两端电压相等，可见其弊端是功耗难以降低，在后续的版图设计中三极管、电阻会占用相当大的面积，因此在新型工艺下设计一款具有温度系数、高电源电压抑制比，低功耗的基准电压源变得十分重要。
1.2本文的研究工作
基于电压基准源在模拟集成电路中广泛应用以及及其重要的地位，一款具有低温度系数、高电源电压抑制比、低功耗以及适应新型工艺的电压基准源成为近年来研究的重点。CMOS电路因其低功耗，电压范围大，集成度高成为集成电路设计的主流。
有相关文献指出，在MOS管的栅源电压略小于阈值电压时，存在弱反型层，并产生源漏电流，该电流与栅源电压为指数关系，该特性称为亚阈值导电。可见当MOS管工作在亚阈值区时，具有惊人的低功耗特性，这为我们电路设计提供了新的思路。
所以本设计基于亚阈值的MOS的IV特性，设计一款全新结构的基准电压源，全设计中不包含三极管、电阻、电容元件，从一定角度上这将极大的降低芯片面积，且整体电路将会处于一个很低的功耗水平下，通过合理的设计电路结构，设计出一款具有低温度系数、低功耗、高电源电压抑制比的电压基准源。
1.3本文的内容及结构
基准电压源电路因其在模拟集成电路中巨大作用因而具有举足轻重的作用，工作在亚阈值区的MOS特性也为我们的电路设计打开了新的视野。本文将在现有的研究下，基于MOS的亚阈值特性设计一款电压基准源，下面对本文的工作进行以下总结：
1.介绍电压基准源的重要性，其具体应用的工作场合
2.基于传统电压基准源介绍设计的基本思路，并具体分析传统结构中存在的一些弊端
3.介绍本文所设计的新型结构，详细分析电路的结构以及工作原理，通过IV特性获得理论的计算值
4.基于相关仿真工具对电路进行相关参数的仿真，确保设计的正确性、可靠性
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第一章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2本文的研究工作 1
1.3本文的内容及结构 2
第二章 电路结构 3
2.1传统电压基准源 3
2.2本文设计的电压基准源电路 5
2.2.1 启动电路 5
2.2.2 电流镜电路 6
2.2.3 亚阈值电流产生电路与CTAT电压产生电路 7
2.2.4 正温度系数产生电路 9
2.2.5 总体结构 11
第三章 电路仿真 12
3.1 时域仿真及功耗 12
3.2 温度系数 12
3.3 输出电压随电源电压变化 13
3.4 电源电压抑制比 14
3.5 误差分析 14
3.6 测试结果与同类型设计的对比 15
第四章 版图设计 16
4.1 MOS管的结构与设计 16
4.2 版图绘制中的注意点 18
4.2.1 MOS管的结构 18
4.2.2 MOS管的匹配 19
4.2.3 闩锁效应 20
4.3 本设计中的电路版图及相关检查结果 21
4.3.1 版图设计 21
4.3.2 DRC检查 21
4.3.3 LVS检查 22
第五章 总结与展望 24
5.1 总结 24
5.2 今后的研究方向 24
参考文献 26 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
致谢 28
第一章 绪论
1.1 研究的背景及意义
随着电子信息行业在近五十年的飞速成长，集成电路作为其背后的支柱行业更是获得了极大的成长，从1958年TI发明的世界上首颗集成电路到今天的10nm先进工艺，其发展之迅猛是如今任何产业都望尘莫及的。戈登摩尔曾预言：当价格不变时，集成电路上可容纳的元件的数目，每隔1824个月便会增加一倍，性能也提升一倍[1]。该预言已精准预言了超过半世纪，尽管如今发展有所放缓，但在可以预见的将来，摩尔定律仍将指导着集成电路产业的发展。
在大部分模拟集成电路中，电压基准源为系统提供了一个与电源、温度无关的电压参考输出，其工作能力的优劣将直接决定整个系统的性能稳定。例如在模数/数模转换器中，基准电压参考源为输出提供了一个参考电压。在各种电源芯片中，电压基准源也为电源芯片的输出起着关键作用。如今随着物联网的发展，传感器也在我们生活中随处可见，而敏感元件本身受电源电压的影响非常大，只有高精度的电源电压为其供电才能使其在工作中保持稳定性。一款优秀的电压基准源必须具有较低的温度系数、较高的电源电压抑制比的特点。近年来，随着SOC（片上系统）的发展，低压低功耗成为设计中的重要关注点。另外电源电压随着工艺的特征尺寸降低而降低，在0.18um新工艺下，电源电压降低到1.8V，而传统结构的基准源输出是1.25V，这就变得十分不合适。
传统的电压基准源利用利用二极管在导通时具有的负温度系数的导通电压和两个流过相同电流但不同结面积的具有正温度系数的二极管电压差进行加权叠加，产生一个与温度无关的电压输出，但是在设计中无法避免的需要用到运算放大器使电路进入深度负反馈从而使两端电压相等，可见其弊端是功耗难以降低，在后续的版图设计中三极管、电阻会占用相当大的面积，因此在新型工艺下设计一款具有温度系数、高电源电压抑制比，低功耗的基准电压源变得十分重要。
1.2本文的研究工作
基于电压基准源在模拟集成电路中广泛应用以及及其重要的地位，一款具有低温度系数、高电源电压抑制比、低功耗以及适应新型工艺的电压基准源成为近年来研究的重点。CMOS电路因其低功耗，电压范围大，集成度高成为集成电路设计的主流。
有相关文献指出，在MOS管的栅源电压略小于阈值电压时，存在弱反型层，并产生源漏电流，该电流与栅源电压为指数关系，该特性称为亚阈值导电。可见当MOS管工作在亚阈值区时，具有惊人的低功耗特性，这为我们电路设计提供了新的思路。
所以本设计基于亚阈值的MOS的IV特性，设计一款全新结构的基准电压源，全设计中不包含三极管、电阻、电容元件，从一定角度上这将极大的降低芯片面积，且整体电路将会处于一个很低的功耗水平下，通过合理的设计电路结构，设计出一款具有低温度系数、低功耗、高电源电压抑制比的电压基准源。
1.3本文的内容及结构
基准电压源电路因其在模拟集成电路中巨大作用因而具有举足轻重的作用，工作在亚阈值区的MOS特性也为我们的电路设计打开了新的视野。本文将在现有的研究下，基于MOS的亚阈值特性设计一款电压基准源，下面对本文的工作进行以下总结：
1.介绍电压基准源的重要性，其具体应用的工作场合
2.基于传统电压基准源介绍设计的基本思路，并具体分析传统结构中存在的一些弊端
3.介绍本文所设计的新型结构，详细分析电路的结构以及工作原理，通过IV特性获得理论的计算值
4.基于相关仿真工具对电路进行相关参数的仿真，确保设计的正确性、可靠性
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