低压低功耗cmos带隙基准电压源的设计与仿真.doc

1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：白子晁学 号：1206024110学 院： 仪器与电子学院专 业： 微电子学设计题目： 低压低功耗 CMOS 带隙基准电压源的设计与仿真指导教师: 朱平2015 年 11 月 13 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、低压低功耗 CMOS 带隙基准电压源的设计与仿真的背景与意义 1.1 基准电压源概述 基准电路包括基准电压源和基准电流源，在电路中提供电压基准和电流基准，是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块 1。随着集成电路规模的不断增大，特别是芯

2、片系统集成(SOC)技术的提出，使基准电路被广泛使用的同时，也对其性能提出了更高的要求。基准电流源主要作为高性能运算放大器等器件或电路的偏置。基准电压源是模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、线性稳压器和开关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片和通信电路等电路中不可缺少的部分，是在电路中用做基准的精确、稳定的电压源。对模拟系统而言基准电压源的性能直接影响整个系统的精度和性能 2。作为 AD、DA 转换器以及通信电路中的一个基本组件，基准源始终是集成电路中一个重要的单元模块。它的温度稳定性以及抗噪声能力是影响到电路精度和性能的关键因素 3。由于带隙基准电压、电流源电路的输出电压及电流几乎不

3、受温度和电源电压变化的影响，这就使得片内集成的带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件 4。近年来，CMOS 技术迅速发展，越来越多的集成电路采用 CMOS 工艺实现。理想的基准电压源应不受电源和温度的影响。在电路中能够提供稳定的电压,“基准“这一术语正说明基准电压源的数值。一般情况下，可用电阻分压作为基准电压，但它只能作为放大器的偏置电压或提供放大器的工作电流 5。这主要是由于其自身没有稳压作用，故输出电压的稳定性完全依赖于电源电压的稳定性。另外，也可用二极管的正向压降作为基准电压，它可克服上述电路的缺点，得到不依赖于电源电压的恒定基准电压，但其电压的稳定性并不高，且

4、温度系数是负的，约为-2mV。还可用硅稳压二极管(简称稳压管或齐纳管)的击穿电压作为基准电压，它可克服正向二极管作为基准电压的一些缺点，但其温度系数是正的，约为+2mV。因此，以上几种均不适用于对基准电压要求高的场合 16。于是，在这种迫切的市场需求和设计者的不断努力下，高精度的基准电压源应运而生，并且种类繁多。在集成电路中，有三种常用的基准源：掩埋齐纳(Zener)基准源、XFET 基准源和带隙(Bandgap)基准源 7。1.2 课题的研究背景和应用前景随着便携式电子产品的迅速发展，功耗成为现代集成电路产品的关键性能之一，而降低功耗的一个重要方法就是降低电源电压。另一方面，现代集成电路特征

5、尺寸越来越小，也导致集成电路产品的工作电压越来越低。1999 年，半导体工业协会对未来十年 CMOS 电路的电源电压发展做了预测，预测到 2010 年，集成电路的电源电压将下降到 1V，而到 2015 年，电压将进一步到 045V 8。尽管数字电路着来越重要的作用，数字化已经成为当代电子产品的发展方向，但模拟电路作为数字电的基础，仍然起着不可替代的作用 10。大量电子设备的原始信号均为模拟信号，如电磁记录、扬声器、麦克风等，它们所产生的信号均为模拟信号。这些信号在进行数字处理前必须先经过模拟信号处理，如放大、AD 转换等。同时，数字化处理以后的信息必须转换为模拟电子信号 11。为现实世界所接受

6、。近年来，单片系统集成 SOC 发展非常迅速。然而，从技术角度看，数字系统的单片集成并不困难，难点在于模拟部分的单片集成。在 CMOS工艺日益发展的今天，采用 CMOS 技术制造的低电压模拟电路的设计过程已经成为人们研究的热点。在新的设计要求下，如何设计出性能合适的电路是我们需要研究的主要方向 12。如今，由于电源电压的持续下降，低压低功耗、低温度系数、高电源抑制比的带隙基准(Bandgap Reference)电压源设计变得十分关键，因为带隙基准电压的精度直接决定了 AD、DA 转换器的精度 13。因此本论文旨在设计一种低压，低功耗的带隙基准电压源，分别采用一阶温度补偿和二阶温度补偿的方式，

7、实现高精度的基准电压源。目前设计一种采用低电压供电，并具有较低功耗的电压基准电路有着特殊而重要的意义。首先是因为，当今市场对便携类电子产品的需求越来越大，同时无线通信技术的快速发展加快了人们对更小、更轻、更耐用的电子产品的需求，几乎所有的便携设备都是使用化学电池作为动力来源，而一般来讲，化学电池可以提供的电源电压和功率都是十分有限的 14。其次，随着 CMOSI 艺水平的不断提高，VLSI 设计经历了从 025um 至 lJ018um，直至当今主流的 013um，甚90rim的阶段，与此相伴的是电源电压的连续降低：025um 为 25V，018um 为 18V，013um 为 12V，而到了

8、90nm 工艺时，我们通常都是采用 1V 作为电源。在可以预计的未来，模拟电路的工作电压还会持续降低，因此，为低功耗低电压的电子设备设计相应的电压基准就成为了科研人员的工作热点之一。输出不随温度、电源电压变化的基准源在模拟和混合集成电路中的应用将更加广泛 15。随着片上系统(SOC)的迅速发展，系统要求模拟集成模块能够兼容标准 CMOSI 艺，在 SOC 上，数字集成模块的噪声容易通过电源和地藕合到模拟集成模块，这要求模拟集成模块的PSRR 非常高。同时，由于移动电子设备的逐渐增多，要求模拟集成电路的电源电压能够降至左右，功耗在 uW 量级上 16。尽管掩埋齐纳基准源和 XFET 基准源的输出

9、温度稳定性非常好，但是它们的制造流程都不能兼容标准 CMOS 工艺。而且掩埋齐纳基准源的输出一般大于 5V。相比之下，带隙基准源同时具有以下优点：与标准CMOS 工艺完全兼容：可以工作于低电源电压下；温度漂移、噪声和 PSRR 等性能能够满足大部分系统的要求。正是具备以上优点，带隙基准源得到了广泛的研究与应用。在 CMOS 带隙基准源中，低电源电压、低功耗、高精度和高 PSRR 都将是未来的发展方向 17。1.3 国内外的研究现状在国外精密测量仪器仪表和广泛应用的数字通信系统中都经常把基准电压源用作系统测量和校准的基准。因此，基准电压源在模拟集成电路中占有很重要的地位，它直接影响着电子系统的性

10、能和精度。近年来对它的研究也一直很活跃，运用双极型工艺制成的基准电压源已能达到相当高的性能和精度 18。 与之同时，二十世纪七十年代以来，由于对 MOS 晶体管的基本理论和制造技术的深入研究，加上电路设计和工艺技术的进步，MOS 模拟集成电路得到了迅速发展。其中CMOS 电路更是凭其工艺简单、器件面积小、集成度高和功耗低等优点，成为数字集成电路产品的主流。在这一背景下，为了获得低成本、高性能的模拟集成电路产品，基于标准数字 CMOS 工艺的各种高精度模拟电路受到了人们的关注，并成为集成电技术中的一个重要研究领域。而各种高精度基准电压源由于其在数字模拟系统中的广泛应用，更加具有广阔的开发与应用前

11、景 19。 在国内，传统的带隙基准电路存在很多问题,在温度系数,功耗,PSRR 等方面无法达到现今集成电路的设计要求。近几年针对这些问题，很多国内学者从功耗,PSRR,温度系数,精度等方面对其进行了改进，取得了十分不错的进展。如今带隙基准源在 AD/DA、电源芯片、锁相环、高精度电压表、电流表、欧姆表领域有着广泛的应用 20。参 考 文 献1应建华,李唯 ,一种指数补偿带隙基准源的设计,华中科技大学学报(自然科学报)JV01.35.No.6.Jun.20062吴国平,黄年亚等 .一种二阶曲率补偿带隙基准的研究,电子器件J，2005；0696033何捷,朱臻 ,王涛,李梦雄,洪志良,一种具有温度

12、补偿,高电源抑制比的带隙基源J,复旦大学学报(自然科学版),上海,2001,40.4毕查德拉扎维著 ,陈贵灿等译,模拟 CMOS 集成电路设计,西安交通大学出版社M2002 年 2 月第一版1:86705尹韬,朱樟明 ,杨银堂,郭磊.衬底驱动 MOSFET 特性分析及超低压运算放大器设计半导体学报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 Circu

13、its.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):1339-1

14、342.9Xing 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黄晓敏;沈绪榜 ,一种高精度的 CMOS 带隙基

15、准电压源J-电子工 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

16、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 Sy

17、stems 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

18、 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 Des

19、ign (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. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题要研究或解决的问题在模/数转换器、数/模转换器、动态存储器、Flash 存储器等集成电路设计中,低温度系数、低

20、压低功耗、高电源抑制比的基准源设计是十分关键的。随着深亚微米集成电路技术的不断发展,集成电路的电源电压越来越低,研究基于标准 CMOS 工艺的低压低功耗基准源设计是十分必要的。2、拟采用的研究手段1.设计方案思路在了解了传统带隙基准源电路结构后（图 2.1）,我认为研究传统的结构，并对一阶温补偿和二阶温度补偿结构原理进行分析和比较。然后进一步研究几种低压带隙基准电压源电路的主要工作原理。在对各种低压带隙基准源分析比较的基础上，采用二阶温度补偿和电流反馈技术，设计实现一种基于衬底驱动技术和电阻分压技术的超低压CMOS 带隙基准电压源。采用衬底驱动超低压运算放大器作为基准源的负反馈，使其输出用于产生自身的电电流源偏置。毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：白子晁同学认真查阅了大量文献资料，提交的开题报告反映了其对内容有了总体上的认识，对本次毕业设计所涉及到的器件及技术做了比较详细的研究，对题目的背景意义作了较为全面的描述。另外在此基础上设计的方案工作量、难度适中。开题报告撰写规范，层次清晰符合开题报告要求，同意开题。指导教师： 年 月 日所在学院审查意见：负责人： 年 月 日