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高精度基准源的研究与设计

作　者: 田涛
导　师: 曾健平
学　校: 湖南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 衬底PNP双极型晶体管带隙基准源分段线性补偿电源电压抑制比温度系数 PTAT电流低功耗
分类号: TN432
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本文概述了基准电压源和基准电流源的发展历史,现状和趋势。阐述了CMOS集成基准源的优势和特点,指出了本课题的研究意义。阐述了设计中相关的器件理论与工艺模型,对CMOS工艺下的两种有源器件,即亚阈值工作状态下的金属场效应晶体管(MOSFET)及衬底PNP双极型晶体管(BJT)的温度模型及其影响因素进行了分析和比较,指明衬底PNP双极型晶体管更适合作为基准源的温度补偿元件。阐述了CMOS电路中常用到的重要的子电路的相关理论,通过对各种类型CMOS集成基准电压源的性能和特点的比较,确定选用理论最为成熟和性能最为稳定的带隙基准源。通过对大量文献中对温度补偿方法的分析,指出只有采用多阶温度补偿才能大幅降低输出电压的温度系数。而分段线性补偿是多阶温度补偿方法中比较简单的,而且经过优化设计可以与CMOS工艺兼容。利用带隙基准原理设计获得与绝对温度成正比(PTAT)电流,进而获得与温度成正比的电压值。对传统带隙基准电路进行了改进设计,采用自偏置结构和镜像电流镜结构,利用运放的输出电压作为运放的偏置电压,节省了偏置电路,降低了功耗;使用低温度系数的多晶硅高值电阻,降低了电阻温漂对电路的影响;在电源电压不变的情况下,为了减小功耗就必须减小工作电流,而增大电阻的阻值能有效地减小工作电流,多晶硅高值电阻的方块电阻很大,可以节省版图面积。用较简单的电路形式实现了低功耗和高电源抑制比的PTAT电流产生电路和CTAT电流产生电路。与相关文献相比,在工艺相同的情况下具有更低的功耗。考虑到分段越多,电路会变得越复杂,利用得到的PTAT电流和CTAT电流完成温度的两段线性补偿,获得温度系数很小的基准电压输出。利用上面的PTAT电流和CTAT电流,合理设计电路获得较小温度系数的基准电流。采用Bsim3v3模型,利用Cadence Spectre仿真工具对整个电路进行仿真,得到仿真结果:基准电压源的温度系数仅为1.88ppm/°C,电源电压抑制比为-63.5dB,随电源电压幅度的变化仅为0.195mV/V,功耗仅为144.2μW;基准电流源的温度系数为113 ppm/°C,电源电压抑制比为-89.5dB,随电源电压幅度的变化仅为1.5nA,功耗仅为98μW。基于基准电流源设计了全差分电荷泵,降低了电荷泄露所带来的电压噪声,提高了电荷泵的上升和下降速度,消除了电流失配所带来的噪声。采用正反馈结构既提高了开启和关断速度,也降低了功耗。在-1.4V~+1.4V范围内具有很好的线性度和稳定的步长,证明它可以广泛应用于低电压、低功耗和高性能DPLL电路中。基于基准电压源设计了温度保护电路,仿真结果表明,它能在温度高于120°C时产生触发信号,使系统关闭,在温度低于80°C时使系统恢复正常工作。

全文目录

学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-16
  1.1 基准源的性能  12
  1.2 基准源的分类与特点及其应用  12-13
    1.2.1 基准源的分类与特点  12-13
    1.2.2 基准源的应用  13
  1.3 基准源的研究现状  13-14
  1.4 选题意义和研究内容  14-16
    1.4.1 选题意义  14
    1.4.2 研究内容  14-16
第2章器件的工艺与模型  16-28
  2.1 CMOS 工艺  16-21
    2.1.1 有源器件  16-17
    2.1.2 无源器件  17-21
  2.2 CMOS 器件模型  21-24
    2.2.1 大信号模型  21-23
    2.2.2 小信号模型  23-24
  2.3 双极型器件模型  24-25
  2.4 影响双极型器件模型的因素  25-27
    2.4.1 寄生串联电阻  25-26
    2.4.2 电流增益变化  26
    2.4.3 大注入效应  26
    2.4.4 Early 效应  26-27
  2.5 小结  27-28
第3章基准源的原理与电路  28-51
  3.1 基准电压源结构  28-38
    3.1.1 直接采用电阻和管分压的基准电压源  28-29
    3.1.2 有源器件与电阻串联组成的基准电压源  29-30
    3.1.3 带隙基准电压源  30-38
      3.1.3.1 与绝对温度成正比的电压  31-32
      3.1.3.2 负温度系数电压V_(BE)  32
      3.1.3.3 带隙基准电压源的设计  32-35
      3.1.3.4 非线性曲率补偿  35-38
  3.2 基准电流源结构  38-40
    3.2.1 简单基准电流源  38
    3.2.2 MOS Widlar 电流源  38-39
      不同的电源电压有不同的输出电流  39
    3.2.3 MOS Peaking 电流源  39-40
    3.2.4 阈值电压相关电流源  40
  3.3 偏置电路  40-44
    3.3.1 基本电流镜  41-42
    3.3.2 共源共栅电流镜  42-43
    3.3.3 有源电流镜  43-44
  3.4 放大器  44-49
    3.4.1 共源放大器  44-47
    3.4.2 源跟随器  47-48
    3.4.3 共栅极放大器  48
    3.4.4 共源共栅极放大器  48-49
    3.4.5 差分放大器  49
  3.5 小结  49-51
第4章高精度基准源的设计与仿真  51-68
  4.1 高精度基准电压源的设计目标  51
  4.2 高精度基准电压源的结构选择与原理分析  51-54
    4.2.1 高精度基准电压源的结构选择  51-52
    4.2.2 分段线性补偿的原理  52-54
  4.3 高精度基准电压源的设计  54-60
    4.3.1 高精度基准电压源电路设计  54
    4.3.2 电路分析  54-60
  4.4 高精度基准电压源的仿真  60-64
    4.4.1 基准电压随温度的变化  60-61
    4.4.2 基准电压随电源电压幅度的变化  61
    4.4.3 基准电压随电源电压频率的变化  61-62
    4.4.4 电压―电压转换电路和电压―电流转换电路  62-64
  4.5 高精度基准电流源的设计目标  64
  4.6 高精度基准电流源的设计  64-65
  4.7 电路分析  65-66
  4.8 基准电流源的仿真  66-67
  4.9 小结  67-68
第5章版图设计  68-75
  5.1 版图概述  68
  5.2 版图设计  68-74
    5.2.1 版图设计工具  68-69
    5.2.2 电路版图设计  69-74
    5.2.3 完整的版图  74
  5.3 小结  74-75
第6章基准源的应用  75-87
  6.1 基准源在电荷泵中的应用  75-78
    6.1.1 电荷泵简介  75-76
    6.1.2 电路设计  76-77
    6.1.3 仿真结果  77-78
  6.2 基准源在温度保护电路中的应用  78-87
    6.2.1 温度保护电路简介  78
    6.2.2 温度保护电路的设计  78-79
    6.2.3 电压比较器的设计  79-82
    6.2.4 反相器的设计  82-84
    6.2.5 开关的设计  84-85
    6.2.6 温度保护电路的仿真  85-87
结论  87-89
参考文献  89-92
附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）  92-93
致谢  93

高精度基准源的研究与设计

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