高精度基準(zhǔn)源的研究與設(shè)計.pdf

1、本文概述了基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源的發(fā)展歷史，現(xiàn)狀和趨勢。闡述了CMOS集成基準(zhǔn)源的優(yōu)勢和特點，指出了本課題的研究意義。闡述了設(shè)計中相關(guān)的器件理論與工藝模型，對CMOS工藝下的兩種有源器件，即亞閾值工作狀態(tài)下的金屬場效應(yīng)晶體管(MOSFET)及襯底PNP雙極型晶體管(BJT)的溫度模型及其影響因素進(jìn)行了分析和比較，指明襯底PNP雙極型晶體管更適合作為基準(zhǔn)源的溫度補償元件。闡述了CMOS電路中常用到的重要的子電路的相關(guān)理論，通過對各種類型C

2、MOS集成基準(zhǔn)電壓源的性能和特點的比較，確定選用理論最為成熟和性能最為穩(wěn)定的帶隙基準(zhǔn)源。通過對大量文獻(xiàn)中對溫度補償方法的分析，指出只有采用多階溫度補償才能大幅降低輸出電壓的溫度系數(shù)。而分段線性補償是多階溫度補償方法中比較簡單的，而且經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計可以與CMOS工藝兼容。利用帶隙基準(zhǔn)原理設(shè)計獲得與絕對溫度成正比(PTAT)電流，進(jìn)而獲得與溫度成正比的電壓值。對傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，采用自偏置結(jié)構(gòu)和鏡像電流鏡結(jié)構(gòu)，利用運放的輸出電壓

3、作為運放的偏置電壓，節(jié)省了偏置電路，降低了功耗；使用低溫度系數(shù)的多晶硅高值電阻，降低了電阻溫漂對電路的影響；在電源電壓不變的情況下，為了減小功耗就必須減小工作電流，而增大電阻的阻值能有效地減小工作電流，多晶硅高值電阻的方塊電阻很大，可以節(jié)省版圖面積。用較簡單的電路形式實現(xiàn)了低功耗和高電源抑制比的PTAT電流產(chǎn)生電路和CTAT電流產(chǎn)生電路。與相關(guān)文獻(xiàn)相比，在工藝相同的情況下具有更低的功耗?？紤]到分段越多，電路會變得越復(fù)雜，利用得到的PTA

4、T電流和CTAT電流完成溫度的兩段線性補償，獲得溫度系數(shù)很小的基準(zhǔn)電壓輸出。利用上面的PTAT電流和CTAT電流，合理設(shè)計電路獲得較小溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電流。 采用Bsim3v3模型，利用CadenceSpectre仿真工具對整個電路進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果：基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)僅為1.88ppm/℃，電源電壓抑制比為-63.5dB，隨電源電壓幅度的變化僅為0.195mV/V，功耗僅為144.2μW；基準(zhǔn)電流源的溫度系數(shù)為113ppm

5、/℃，電源電壓抑制比為-89.5dB，隨電源電壓幅度的變化僅為1.5nA，功耗僅為98μW。 基于基準(zhǔn)電流源設(shè)計了全差分電荷泵，降低了電荷泄露所帶來的電壓噪聲，提高了電荷泵的上升和下降速度，消除了電流失配所帶來的噪聲。采用正反饋結(jié)構(gòu)既提高了開啟和關(guān)斷速度，也降低了功耗。在-1.4V～+1.4V范圍內(nèi)具有很好的線性度和穩(wěn)定的步長，證明它可以廣泛應(yīng)用于低電壓、低功耗和高性能DPLL電路中。基于基準(zhǔn)電壓源設(shè)計了溫度保護(hù)電路，仿真結(jié)果表