低壓低功耗cmos帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)與仿真.doc

中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：白子晁學(xué) 號(hào)：1206024110學(xué) 院：儀器與電子學(xué)院專 業(yè)：微電子學(xué)設(shè)計(jì)題目：低壓低功耗CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)與仿真指導(dǎo)教師:朱平 2015 年11月13日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述一、低壓低功耗CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)與仿真的背景與意義 1.1基準(zhǔn)電壓源概述 基準(zhǔn)電路包括基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源，在電路中提供電壓基準(zhǔn)和電流基準(zhǔn)，是模擬集成電路和混合集成電路中非常重要的模塊1。隨著集成電路規(guī)模的不斷增大，特別是芯片系統(tǒng)集成(SOC)技術(shù)的提出，使基準(zhǔn)電路被廣泛使用的同時(shí)，也對(duì)其性能提出了更高的要求?；鶞?zhǔn)電流源主要作為高性能運(yùn)算放大器等器件或電路的偏置?；鶞?zhǔn)電壓源是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器、溫度傳感器、充電電池保護(hù)芯片和通信電路等電路中不可缺少的部分，是在電路中用做基準(zhǔn)的精確、穩(wěn)定的電壓源。對(duì)模擬系統(tǒng)而言基準(zhǔn)電壓源的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度和性能2。作為AD、DA轉(zhuǎn)換器以及通信電路中的一個(gè)基本組件，基準(zhǔn)源始終是集成電路中一個(gè)重要的單元模塊。它的溫度穩(wěn)定性以及抗噪聲能力是影響到電路精度和性能的關(guān)鍵因素3。由于帶隙基準(zhǔn)電壓、電流源電路的輸出電壓及電流幾乎不受溫度和電源電壓變化的影響，這就使得片內(nèi)集成的帶隙基準(zhǔn)電壓、電流源電路成了模擬集成電路芯片中不可缺少的關(guān)鍵部件4。 近年來(lái)，CMOS技術(shù)迅速發(fā)展，越來(lái)越多的集成電路采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)。理想的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)不受電源和溫度的影響。在電路中能夠提供穩(wěn)定的電壓,“基準(zhǔn)這一術(shù)語(yǔ)正說(shuō)明基準(zhǔn)電壓源的數(shù)值。一般情況下，可用電阻分壓作為基準(zhǔn)電壓，但它只能作為放大器的偏置電壓或提供放大器的工作電流5。這主要是由于其自身沒有穩(wěn)壓作用，故輸出電壓的穩(wěn)定性完全依賴于電源電壓的穩(wěn)定性。另外，也可用二極管的正向壓降作為基準(zhǔn)電壓，它可克服上述電路的缺點(diǎn)，得到不依賴于電源電壓的恒定基準(zhǔn)電壓，但其電壓的穩(wěn)定性并不高，且溫度系數(shù)是負(fù)的，約為-2mV。還可用硅穩(wěn)壓二極管(簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管或齊納管)的擊穿電壓作為基準(zhǔn)電壓，它可克服正向二極管作為基準(zhǔn)電壓的一些缺點(diǎn)，但其溫度系數(shù)是正的，約為+2mV。因此，以上幾種均不適用于對(duì)基準(zhǔn)電壓要求高的場(chǎng)合16。于是，在這種迫切的市場(chǎng)需求和設(shè)計(jì)者的不斷努力下，高精度的基準(zhǔn)電壓源應(yīng)運(yùn)而生，并且種類繁多。在集成電路中，有三種常用的基準(zhǔn)源：掩埋齊納(Zener)基準(zhǔn)源、XFET基準(zhǔn)源和帶隙(Bandgap)基準(zhǔn)源7。 1.2課題的研究背景和應(yīng)用前景 隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，功耗成為現(xiàn)代集成電路產(chǎn)品的關(guān)鍵性能之一，而降低功耗的一個(gè)重要方法就是降低電源電壓。另一方面，現(xiàn)代集成電路特征尺寸越來(lái)越小，也導(dǎo)致集成電路產(chǎn)品的工作電壓越來(lái)越低。1999年，半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)未來(lái)十年CMOS電路的電源電壓發(fā)展做了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)到2010年，集成電路的電源電壓將下降到1V，而到2015年，電壓將進(jìn)一步到045V8。盡管數(shù)字電路著來(lái)越重要的作用，數(shù)字化已經(jīng)成為當(dāng)代電子產(chǎn)品的發(fā)展方向，但模擬電路作為數(shù)字電的基礎(chǔ)，仍然起著不可替代的作用10。大量電子設(shè)備的原始信號(hào)均為模擬信號(hào)，如電磁記錄、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)等，它們所產(chǎn)生的信號(hào)均為模擬信號(hào)。這些信號(hào)在進(jìn)行數(shù)字處理前必須先經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)處理，如放大、AD轉(zhuǎn)換等。同時(shí)，數(shù)字化處理以后的信息必須轉(zhuǎn)換為模擬電子信號(hào)11。 為現(xiàn)實(shí)世界所接受。近年來(lái)，單片系統(tǒng)集成SOC發(fā)展非常迅速。然而，從技術(shù)角度看，數(shù)字系統(tǒng)的單片集成并不困難，難點(diǎn)在于模擬部分的單片集成。在CMOS工藝日益發(fā)展的今天，采用CMOS技術(shù)制造的低電壓模擬電路的設(shè)計(jì)過(guò)程已經(jīng)成為人們研究的熱點(diǎn)。在新的設(shè)計(jì)要求下，如何設(shè)計(jì)出性能合適的電路是我們需要研究的主要方向12。 如今，由于電源電壓的持續(xù)下降，低壓低功耗、低溫度系數(shù)、高電源抑制比的帶隙基準(zhǔn)(Bandgap Reference)電壓源設(shè)計(jì)變得十分關(guān)鍵，因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)電壓的精度直接決定了AD、DA轉(zhuǎn)換器的精度13。因此本論文旨在設(shè)計(jì)一種低壓，低功耗的帶隙基準(zhǔn)電壓源，分別采用一階溫度補(bǔ)償和二階溫度補(bǔ)償?shù)姆绞?，?shí)現(xiàn)高精度的基準(zhǔn)電壓源。目前設(shè)計(jì)一種采用低電壓供電，并具有較低功耗的電壓基準(zhǔn)電路有著特殊而重要的意義。首先是因?yàn)?，?dāng)今市場(chǎng)對(duì)便攜類電子產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，同時(shí)無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展加快了人們對(duì)更小、更輕、更耐用的電子產(chǎn)品的需求，幾乎所有的便攜設(shè)備都是使用化學(xué)電池作為動(dòng)力來(lái)源，而一般來(lái)講，化學(xué)電池可以提供的電源電壓和功率都是十分有限的14。其次，隨著CMOSI藝水平的不斷提高，VLSI設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從025um至lJ018um，直至當(dāng)今主流的013um，甚90rim的階段，與此相伴的是電源電壓的連續(xù)降低：025um為25V，018um為18V，013um為12V，而到了90nm工藝時(shí)，我們通常都是采用1V作為電源。在可以預(yù)計(jì)的未來(lái)，模擬電路的工作電壓還會(huì)持續(xù)降低，因此，為低功耗低電壓的電子設(shè)備設(shè)計(jì)相應(yīng)的電壓基準(zhǔn)就成為了科研人員的工作熱點(diǎn)之一。輸出不隨溫度、電源電壓變化的基準(zhǔn)源在模擬和混合集成電路中的應(yīng)用將更加廣泛15。隨著片上系統(tǒng)(SOC)的迅速發(fā)展，系統(tǒng)要求模擬集成模塊能夠兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOSI藝，在SOC上，數(shù)字集成模塊的噪聲容易通過(guò)電源和地藕合到模擬集成模塊，這要求模擬集成模塊的PSRR非常高。同時(shí)，由于移動(dòng)電子設(shè)備的逐漸增多，要求模擬集成電路的電源電壓能夠降至左右，功耗在uW量級(jí)上16。盡管掩埋齊納基準(zhǔn)源和XFET基準(zhǔn)源的輸出溫度穩(wěn)定性非常好，但是它們的制造流程都不能兼容標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。而且掩埋齊納基準(zhǔn)源的輸出一般大于5V。相比之下，帶隙基準(zhǔn)源同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容：可以工作于低電源電壓下；溫度漂移、噪聲和PSRR等性能能夠滿足大部分系統(tǒng)的要求。正是具備以上優(yōu)點(diǎn)，帶隙基準(zhǔn)源得到了廣泛的研究與應(yīng)用。在CMOS帶隙基準(zhǔn)源中，低電源電壓、低功耗、高精度和高PSRR都將是未來(lái)的發(fā)展方向17。 1.3國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 在國(guó)外精密測(cè)量?jī)x器儀表和廣泛應(yīng)用的數(shù)字通信系統(tǒng)中都經(jīng)常把基準(zhǔn)電壓源用作系統(tǒng)測(cè)量和校準(zhǔn)的基準(zhǔn)。因此，基準(zhǔn)電壓源在模擬集成電路中占有很重要的地位，它直接影響著電子系統(tǒng)的性能和精度。近年來(lái)對(duì)它的研究也一直很活躍，運(yùn)用雙極型工藝制成的基準(zhǔn)電壓源已能達(dá)到相當(dāng)高的性能和精度18。與之同時(shí)，二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，由于對(duì)MOS晶體管的基本理論和制造技術(shù)的深入研究，加上電路設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的進(jìn)步，MOS模擬集成電路得到了迅速發(fā)展。其中CMOS電路更是憑其工藝簡(jiǎn)單、器件面積小、集成度高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，成為數(shù)字集成電路產(chǎn)品的主流。在這一背景下，為了獲得低成本、高性能的模擬集成電路產(chǎn)品，基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字CMOS工藝的各種高精度模擬電路受到了人們的關(guān)注，并成為集成電技術(shù)中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。而各種高精度基準(zhǔn)電壓源由于其在數(shù)字模擬系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，更加具有廣闊的開發(fā)與應(yīng)用前景19。 在國(guó)內(nèi)，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路存在很多問(wèn)題,在溫度系數(shù),功耗,PSRR等方面無(wú)法達(dá)到現(xiàn)今集成電路的設(shè)計(jì)要求。近幾年針對(duì)這些問(wèn)題，很多國(guó)內(nèi)學(xué)者從功耗,PSRR,溫度系數(shù),精度等方面對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，取得了十分不錯(cuò)的進(jìn)展。如今帶隙基準(zhǔn)源在AD/DA、電源芯片、鎖相環(huán)、高精度電壓表、電流表、歐姆表領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用20。 參 考 文 獻(xiàn)1應(yīng)建華,李唯,一種指數(shù)補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計(jì),華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)報(bào))JV01.35.No.6.Jun.20062吳國(guó)平,黃年亞等.一種二階曲率補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)的研究,電子器件J，2005；0696033何捷,朱臻,王濤,李夢(mèng)雄,洪志良,一種具有溫度補(bǔ)償,高電源抑制比的帶隙基源J,復(fù)旦大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),上海,2001,40.4畢查德拉扎維著,陳貴燦等譯,模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì),西安交通大學(xué)出版社M2002年2月第一版1:86705尹韜,朱樟明,楊銀堂,郭磊.襯底驅(qū)動(dòng)MOSFET特性分析及超低壓運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)半導(dǎo)體學(xué)報(bào)J,2005,26(1):158.162.6Wang Xichuan,SI Cuiying,Xu Xing.Curvature-Compensated CMOS Bandgap Referencewim 1.8-V OperationJ,IEEE Journal of Solidstate Circuits.2006.7Yeong-Tsair Li Wen-Yaw Chung,Dong-Shiu Wu,Ho-Cheng Lin,Robert Lin.A LowVoltage CMOS Bandgap ReferencJ.IEEE Journal of Solid-state Circuits.2005.8Andrea Boni,OpAmps and Startup Circuits for CMOS Bandgap References WithNear l-V SupplyJ, IEEE Journal of Solid-State Circuits,2002,37(10):1339-1342.9Xing Xinpeng,LiDongmei,WangZhihua.A Near-lV 10ppm/*C CMOS BandgapReference with Curvature CompensationD.Journal Semiconductors.V01.29.No.1.Jan.2008.10A.J.Annema,”Lowpower bandgap reference featuring DTMOSTs.IEEE JournalOf SolidMState Circuits.VO 1.34,pp,94 9-955,19 99.11黃曉敏;沈緒榜,一種高精度的CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源J-電子工2004(03)12 Paul Hasler,Bradley A.Minch and Chris Diorio.An Autozeroing FloatingGateAmplifierIEEE Transon Circuits and SystemsII：Analog and Digital ProcessingJ.Jan 2001.48(1):74-81.13 john Hyde,Todd Humes,Chris Diorio.A 300一MSs 14-bit Di tal-m-AnalogConverter in Logic CMOSIEEE Journal of Solid-State CircuitsJMay 200338(5)734-739.14Chatterjee.S,Tswidis.YA 0.5-V Bulk-input Fully Differential OperationalTranseonductance Aplifier.ESSCIRC 2004C,Sept.2004，147-150.15Haga.Y Zare-Hoseini.H,Design of a 0.8V Fully Differential CMOS OTAUsingthe Bulk-driven Technique.IEEE Int.Sym.Circuits and Systems 2005C,May2005，220-22.16Li S,Qiu Y B,Guo X P Electrochemical impedance of poly-pyrrole films under different conditionsJ .Acta Phys Chim Sin,2010,5(03):17-18.17B.J.Tesch,P.M.Pratt,K.Bacrania,M.Sanchez.14-b 125 MsPS Digotal-to-Analog.Converter and Bandgap Voltage Reference in 0.5um CMOSC,Proc.of the IEEE 1999 IS CAA, Orlando,FL,U.S.A.,June 1998,452-455.18J.Zhang,X.Zhao.Conducting Polymers Directly Coated on Reduced Graphene Oxide Sheets as High-Performance Supercapacitor ElectrodesJ. The Journal of Physical Chemistry C, 2012,116(9):5420-5426.19Allen P E,Douglas R H. CMOS Analog Circuit Design (Second Edition)M. Oxford University Press, Inc. 2002, 9-14.20Banba H, Shiga H. A CMOS bandgap reference circuit with sub 1-V operation J. IEEE Journal of Solid State Circuits, 1999, 34:670-674. 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：一、本課題要研究或解決的問(wèn)題 在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器等集成電路設(shè)計(jì)中,低溫度系數(shù)、低壓低功耗、高電源抑制比的基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)是十分關(guān)鍵的。隨著深亞微米集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,集成電路的電源電壓越來(lái)越低,研究基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的低壓低功耗基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)是十分必要的。2、 擬采用的研究手段 1.設(shè)計(jì)方案思路 在了解了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)后（圖2.1）,我認(rèn)為研究傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)一階溫補(bǔ)償和二階溫度補(bǔ)償結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析和比較。然后進(jìn)一步研究幾種低壓帶隙基準(zhǔn)電壓源電路的主要工作原理。在對(duì)各種低壓帶隙基準(zhǔn)源分析比較的基礎(chǔ)上，采用二階溫度補(bǔ)償和電流反饋技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于襯底驅(qū)動(dòng)技術(shù)和電阻分壓技術(shù)的超低壓CMOS帶隙基準(zhǔn)電壓源。采用襯底驅(qū)動(dòng)超低壓運(yùn)算放大器作為基準(zhǔn)源的負(fù)反饋，使其輸出用于產(chǎn)生自身的電電流源偏置。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見：白子晁同學(xué)認(rèn)真查閱了大量文獻(xiàn)資料，提交的開題報(bào)告反映了其對(duì)內(nèi)容有了總體上的認(rèn)識(shí)，對(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所涉及到的器件及技術(shù)做了比較詳細(xì)的研究，對(duì)題目的背景意義作了較為全面的描述。另外在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的方案工作量、難度適中。開題報(bào)告撰寫規(guī)范，層次清晰符合開題報(bào)告要求，同意開題。 指導(dǎo)教師： 年 月 日所在學(xué)院審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日附件：參考文獻(xiàn)注釋格式學(xué)術(shù)期刊 作者論文題目期刊名稱，出版年份，卷(期)：頁(yè)次如果作者的人數(shù)多于3人，則寫前三位作者的名字后面加“等”，作者之間以逗號(hào)隔開。例如：1 李峰,胡征,景蘇等. 納米粒子的控制生長(zhǎng)和自組裝研究進(jìn)展. 無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Che