低功耗cmos基准电压源.docx

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低功耗cmos基准电压源

深圳大学

本科毕业论文（设计）

题目:

低功耗CMOS电压参考电路的设计研究

姓名:

专业:

集成电路设计与集成系统

学院:

信息工程学院

学号:

指导教师:

职称：

2015年4月19日

深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业论文（设计），题目《低功耗CMOS电压参考电路的设计研究》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

本人完全意识到本声明的法律结果。

毕业论文（设计）作者签名：

日期：

年月日

目录

摘要.....................................................................................................................1

1.前言..................................................................................................................1

1.1选题背景.........................................................................................................1

1.2基准源发展史.................................................................................................1

1.3国内外发展现状及趋势.................................................................................3

1.3.1低温漂系数基准源................................................................................3

1.3.2低电压基准源....................................................................................3

1.3.3高电源抑制比基准源............................................................................3

1.3.4低功耗基准源.....................................................................................4

1.4本文主要工作和论文结构.............................................................................4

2.基准源的理论分析..................................................................................6

2.1基准源的分类.............................................................................................6

2.1.1掩埋型齐纳二极管基准源....................................................................6

2.1.2XFET基准源........................................................................................6

2.1.3带隙基准源...................................................................................7

2.2经典带隙基准源的结构和原理.............................................................7

2.2.1负温度系数电压的实现........................................................................8

2.2.2正温度系数电压的实现......................................................................9

2.2.3带隙基准电压源基本结构..................................................................10

2.3基准源的几个重要参数...............................................................................11

2.3.1温漂系数..............................................................................................12

2.3.2电源抑制比..........................................................................................12

2.3.3噪声......................................................................................................12

2.3.4功耗......................................................................................................12

2.3.5灵敏度..................................................................................................13

2.3.6精度..................................................................................................13

2.3.7启动时间..............................................................................................13

2.3.8负载调整率..................................................................................13

2.3.9长期稳定性...................................................................................13

3.工作在亚阈值区的传统MOSFET模型......................................................14

3.1MOSFET的物理结构....................................................................................14

3.2MOSFET的阈值电压....................................................................................15

3.3亚阈值区MOSFET的I～V特性.................................................................16

3.4亚阈值区MOSFET栅源电压的温度特性..................................................16

3.5传统亚阈值MOSFET基准源电路模型......................................................17

4.工作在亚阈值区的新型基准电压源.................................................18

4.1电路基本介绍..............................................................................................18

4.2电路设计原理..............................................................................................18

4.3电路具体设计...............................................................................................20

4.3.1电路原理图...........................................................................................20

4.3.2器件参数的确定....................................................................................21

4.4仿真及分析..............................................................................................22

4.3.1基准电压与供电电压.......................................................................22

4.3.2基准源的瞬态特性..........................................................................23

4.3.3基准源的温度特性...............................................................................23

4.3.4基准源的电源抑制比...........................................................................24

4.3.5基准源启动电路电容的确定...............................................................25

4.3.6基准源的静态电流及功耗..................................................................25

5.总结与展望....................................................................................................28

参考文献......................................................................................................................29

致谢..............................................................................................................................31

Abstract......................................................................................................................32

【摘要】电压基准源是集成电路中一个非常重要的单元模块，其性能的好坏直接影响系统的精度和稳定性。

电压基准源广泛应用于模数转换器（ADC）、数模转换器（DAC）、低压差线性稳压器（LDO）等模拟和数模混合集成电路以及片上系统（SoC）芯片中。

随着集成电路产业的发展和半导体制造工艺技术的进步，集成电路的工作电压也原来越低，工作在亚阈值的电路在低压、低功耗设计中变得越来越流行。

对于亚阈值MOSFET基准电路模型的研究，传统设计是从亚阈值MOSFET栅源电压的温度特性入手，构造零温度系数的基准参考源。

本文利用的是工作在亚阈值区的阈值电压不同的两MOSFET器件，基于TSMC0.18μm标准CMOS工艺技术，设计了一款工作在亚阈值区、结构简单的纯CMOS低压、低功耗基准参考源。

本文设计了一款所有器件都工作在弱反型区，输出基准电压平均为263.021mV的基准电压源。

采用CadenceSpectre仿真工具对基准电路进行仿真，仿真结果为：

温度扫描从-20℃到80℃，基准输出随温度的变化仅为0.619mV，基准源的温度系数为23.53ppm/℃。

当电路工作在0.6V到1.8V的电源电压下，基准源可以正常工作，电压调制率为0.53%，线灵敏度为0.89%/V。

电源抑制比（PSRR）在电路工作在直流下为-53.2dB，低频下可达到-44.0dB，在1KHz的时候降到-25.1dB，在1MHz的时候也能保持-29.8dB。

正常工作状态下，静态电流为1.052nA，功耗仅为284.325pW。

仿真结果表明，性能满足设计指标。

【关键词】：

基准电压源低功耗亚阈值特性CMOS

1.前言

1.1选题背景

互补型MOS器件（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CMOS）是由仙童半导体公司的FrankWanlass于1963年率先研发成功的。

CMOS器件的诞生标志着半导体工业高速发展时代的开始，自此集成电路（IntegratedCircuit，IC）行业的发展历程基本遵循了GordonE.Moore于1965年预言的著名的摩尔定律[1]。

近20年来，集成电路行业已经飞速迈过了大规模（LSI）、超大规模（VLSI）、特大规模（ULSI）等几个时代。

几年前，基于45nm和22nm的标准CMOS工艺技术已经十分成熟，各类产品也实现量产。

如今，Intel最新发布的处理器CoreM在仅仅82平方毫米的面积上集成了13亿个晶体管,这也是世界上第一款投入商用的基于14nm工艺的处理器。

Intel公司今年即将推出另一款基于14nm工艺的处理器──Skylake，Intel公司虽然紧跟摩尔定律，然而多数工程师预见集成电路产业将在7nm时达到极限，称之为“7nm鸿沟”。

另一个集成电路行业领头羊台积电（TSMC）预计2017年完成10nm工艺的量产。

因此我们可以预计，未来一段时间内集成电路产业的主流趋势仍然是尺寸的不断降低，并且片上系统（Systemonchip，SoC）将成为发展的重点方向。

基准电路是集成电路设计中必不可少的一个核心模块，在数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、传感器（Sensor）、动态存储设备（DRAM）、闪存（FlashMemory）等模拟电路或数模混合电路中都有它的身影。

基准源按照其功能可以简单分为电流基准源和电压基准源，他们的主要作用就是给系统中其他电路结构提供“标准”的电压或电流。

一个合格的基准源应该不随电源电压、温度以及工艺、负载等变化而发生变化，即实现对外部条件的“绝缘”，基准源的性能好坏直接决定了电路系统的稳定性和各项指标的优劣。

工艺尺寸的逐步减小，伴随着的是集成电路的工作电压越来越低。

工艺尺寸越来越小、芯片所含晶体管越来越多、工艺越来越密集复杂，为集成电路产业带来了很多瓶颈和挑战。

对于90nm工艺，器件最高可以承受约1V左右的电压，然而，工作在低于1V（sub-1V）的电路才能迎合日新月异的技术和产品更迭。

随着近几年便携式设备（手机、平板电脑、笔记本电脑）、以及各种可穿戴设备（GoogleGlass、OculusRift、AppleWatch）等的迅猛发展，也要求电路设计向更低压及更低功耗的方向发展。

1.2基准源发展史

电压基准源（ReferenceVoltage）是指输出不随外界温度、供电电压、制造工艺等其他因素改变而发生变化的电压源，基准源既可以独立存在的，也可以集成在具有多功能的电路当中。

虽然电压基准源发展历程只有短短几十年，然而性能指标不断刷新，新型设计方案层出不穷。

在最初的时候，人们选择电池作为电路的基准源，但由于其性能表现较差、成本高昂又比较笨重，电池很快就成为了历史。

19世纪60年代，人类发明了齐纳二极管（ZenerDiode），通常也叫做稳压二极管。

它的工作原理是：

利用PN结的反向击穿状态，齐纳二极管的电流可以在一定范围内随意改变而保持其电压基本不变。

正常工作状态下齐纳管的电流为几毫安，而它可以达到7V左右的稳定电压。

齐纳管的功耗大、温度特性、噪声特性和稳定性也较差。

虽然缺点诸多，但是其携带方便，在早期还是达到了广泛的应用。

1971年，是基准源发展历史上开辟性的一年。

R.J.Widlar首次提出了带隙基准源（BandgapReference，BGR）的设计思想。

它是令具有负温度系数的三极管基极-射极电压（VBE）和工作在不相等电流密度的具有正温度系数的两个三极管发射结电压之差（ΔVBE），通过设定合适的系数相加就可以得到理论上的具有零温度系数的基准电压源[2]。

从此之后，一大批设计者在他的设想的指引下，提出了众多带隙基准源的电路结构和设计技术。

1973年，K.E.Kujik提出了一种可代替齐纳二极管的基准电压源，核心构造是运算放大器加薄膜电阻，其输出参考电压为10V。

1979年，G.Tzanateas等人设计的电路中将包围着电阻的5个工作在弱反型区的CMOS管作为正温度系数产生电路，负温度系数产生电路仍是三极管的VBE。

这是早期工作在亚阈值区的CMOS基准源一次成功的尝试[3]。

1984年，G.M.Meijier通过新型温度补偿电路实现了三极管发射极电压的非线性温度补偿，其电路性能指标中温漂系数得以显著降低。

1993年，M.Gunawan设计了一款新型的曲率补偿的带隙基准源电路，供电电压可以低至1V，输出电流约100μA，输出基准电压约为200mV。

1999年，Banba打破了带隙基准电压源输出电压1.25V的瓶颈，通过在运放两输入端加入相同阻值的分流电阻设计了一款可以工作在1V以下的CMOS基准源，输出基准由结合一个反馈环的两路电流产生[4]。

2001年，Filanovsky发现了工作在亚阈值区的MOSFET在一定偏置下，其栅-源电压（Vgs）拥有负温度特性。

自此，工作在亚阈值区MOS管的栅-源电压成为基准源设计方案中负温度系数产生模块的热门之选。

众多研究人员基于此进行大量的深入研究和改进，近10年来纯CMOS基准电路领域得到了巨大的发展。

2002年，KaNangLeung通过在电路中添加高抵抗性的多晶硅电阻构成的温度补偿模块，使基准源在2V左右的工作电压下达到10ppm/℃的出色的温度系数指标。

2009年，KenUeno等人基于0.35μm的标准CMOS工艺成功搭建无电阻的低压、低功耗基准电压参考源电路，利用工作在亚阈值状态的MOS管实现[5]。

2011年，LucaMagnelli等人基于0.18μm的标准CMOS工艺提出了一款工作在亚阈值区的温度补偿技术实现的新型CMOS电压基准源，其性能表现在其超低的功耗，可以达到2.6nW，比它之前文献当中的最好的功耗性能还要低一个数量级。

电路的核心部分是工作在亚阈值区的两个阈值电压不同的MOS管[6]。

2012年，清华大学的QingDing等人设计出一款工作在1V以下（sub-1V）、超低功耗（52nw）的纯CMOS基准电压源，采用工作在亚阈值区的阈值电压不同的MOS管，其ΔVgs可以通过调整器件参数达到与温度无关，从而设计为基准电压源[7]。

2013年，芬兰AaltoUniversity的ShaileshSinghChouhan和KariHalonen基于0.18μm工艺下，设计了一款低压低功耗（Vref=594.72mV，P=2.5μW）、温漂系数4.8ppm/℃的高性能纯CMOS基准电压源，主要运用于RFID（RadioFrequencyIdentification，射频识别）系统中LDO（lowdropoutregulator，低压差线性稳压器）的设计[8]。

1.3国内外发展现状及趋势

1.3.1低温漂系数基准源（Lowtemperaturecoefficientbandgapreferencecircuit）

温漂系数即基准源随环境温度变化的变化幅度，其值越小，电路性能越好。

对于传统的具有一阶补偿的带隙基准电压源，温漂系数一般在20～60ppm/℃范围内。

然而在一些对温度系数要求很严格的设计中，包括高精度D/A系统、A/D系统，高精度电流源（电压源）等，二阶温度补偿或者更高阶的温度补偿经常需要添加到电路的设计中来。

目前高阶补偿技术包括二阶曲率补偿技术[9]、指数曲线补偿技术[10]、电流相减补偿法[11]、电压叠加补偿法[12]、VBE线性化技术[13]、基于电阻比值的曲线补偿法[14]、基于ΔVgs加权补偿技术[15]等。

通过在电路中运用这些技术，基准源的温漂系数可以达到10ppm/℃以下。

1.3.2低压基准源（Lowvoltagebandgapreferencecircuit）

近年来，随着深亚微米集成电路技术的不断发展下，晶体管越做越小，越做越密，集成电路要求的电源电压也越来越低。

1.8V（0.18μm）和0.9V（90nm）的电源电压已经得到广泛应用，传统的带隙基准源的工作电压为1.2V左右，然而1.2V对于发展迅速的可携带设备、可穿戴设备、动态随机存储器（DRAM）等来说已不能满足需求，更低的电源电压是必然的