【正文】 Oculus Rift、 Apple Watch)等的迅猛發(fā)展 ，也要求電路設(shè)計向 更 低壓及 更 低功耗的方向發(fā)展。 1. 前言 2 19 世紀(jì) 60 年代，人類發(fā)明了齊納二極管 (Zener Diode)，通常也叫做穩(wěn)壓二極管。雖然缺點(diǎn)諸多，但是其攜帶方便，在早期還是達(dá)到了廣泛的應(yīng)用。從此之后，一大批設(shè)計者在他的設(shè)想的指引下，提出了眾多帶隙基準(zhǔn)源的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計技術(shù)。 1984 年， G. M. Meijier 通過新型溫度補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)了三極管發(fā)射極電壓的非線性溫度補(bǔ)償，其電路性能指標(biāo)中溫漂系數(shù)得以顯著降低。自此，工作在亞閾值區(qū) MOS 管的柵 源電壓成為基準(zhǔn)源設(shè)計方案中負(fù)溫度系數(shù)產(chǎn)生模塊的熱門之選。 20xx 年， Luca Magnelli等人基于 μm 的標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝提出了一款工作在亞閾值區(qū)的溫度補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型 CMOS 電壓基準(zhǔn)源，其性能表現(xiàn)在其超低的功耗，可以達(dá)到 nW，比它之前文獻(xiàn)當(dāng)中的最好的功耗性能還要低一個數(shù)量級。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 低溫漂系數(shù)基準(zhǔn)源（ Low temperature coefficient bandgap reference circuit） 溫漂系數(shù)即基準(zhǔn)源隨環(huán)境溫度變化的變化幅度，其值越小，電路性能越好。通過在電路中運(yùn)用這些技術(shù)，基準(zhǔn)源的溫漂系數(shù)可以達(dá)到 10 ppm/℃ 以下。 20xx 年， Piero Malcovati 等人基于亞微米的 BICMOS 工藝 ，在室溫下功耗僅為 92 μW、溫度系數(shù)僅為 ppm/K 的低壓基準(zhǔn)電壓源 [17]，電路中簡化了復(fù)雜的功放模塊和曲率補(bǔ)償模塊。 PSRR(Power Supply Rejection Ratio)即電源抑制比，是基準(zhǔn)電源一項(xiàng)核心的性能指標(biāo)。在最新的文獻(xiàn) [25]中， Yuanming Zhu， Fei Liu 等采用特殊的啟動電路，設(shè)計了一款高 PSRR 的基準(zhǔn)源電路，在直流工作狀態(tài)下 PSRR 高達(dá) 115 dB，在 10MHZ工作狀態(tài)下 PSRR 也可以保持 90 dB。在 V 的電源電壓就可以正常工作，輸出基準(zhǔn)電壓為 514 mV，溫度系數(shù)為 20 ppm/℃ 在 0℃ 到 100℃范圍內(nèi) [27]。 通過閱讀大量文獻(xiàn)以及了解低功耗基準(zhǔn)源發(fā)展史后，總結(jié)出低功耗設(shè)計的首選方案是工作在亞閾值區(qū)的 CMOS 電路。 本文主要工作和論文結(jié)構(gòu) 作者通過閱讀大量的最近幾年國內(nèi)外關(guān)于低功耗帶隙基準(zhǔn)電壓源的文獻(xiàn)，并進(jìn)行深入的研習(xí)和對比分析各個方案的優(yōu)劣之處，總結(jié)和歸納各種電路的構(gòu)造原理。由于集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展和片上系統(tǒng)集成度的日益上升，功耗這項(xiàng)性能 1. 前言 5 指標(biāo)已被眾多設(shè)計者放在首要位置。 第二章是對基準(zhǔn)源的理論分析，簡要說明了基準(zhǔn)源的分類，以及幾種基準(zhǔn)源的性能比較；闡述了傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源的結(jié)構(gòu)和基本原理；詳細(xì)介紹了基準(zhǔn)源的幾個重要性能指標(biāo)。 第五章進(jìn)行總結(jié)，概括本文的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計結(jié)果，并對未來低功耗基準(zhǔn)源的發(fā)展提出預(yù)想。其構(gòu)造原理是工作在擊穿狀態(tài)的齊納二極管具有正溫度系數(shù)，而正向?qū)ǖ亩O管具有負(fù)溫度系數(shù)。 圖 掩埋型齊納二極管基準(zhǔn)源 XFET 基準(zhǔn)源 XFET(eXtra implantation junction Field Effect Transistor)基準(zhǔn) 源一種有別于流行的帶隙基準(zhǔn)源和傳統(tǒng)的掩埋齊納二極管基準(zhǔn)源的新型基準(zhǔn)源，發(fā)明于上世紀(jì)九十年代 [29]。 2. 基準(zhǔn)源的理論分析 7 帶隙基準(zhǔn)源 帶隙基準(zhǔn)源 (Bandgap Reference， BGR)是使用最廣泛、相對性能最好、種類最多的基準(zhǔn)源。 Q4R2I2VR EFQ2R1I10VC CIR3Q1Q3 圖 經(jīng)典 Widlar 帶隙基準(zhǔn)源 帶隙基準(zhǔn)電壓源有別于其他種類基準(zhǔn)電壓源的特點(diǎn)有： （ 1） 低溫度系數(shù)，其溫度系數(shù)一般可達(dá) 20～ 60 ppm/℃ ，可以在變化的環(huán)境溫度下保持較高的輸出穩(wěn)定性。在大多數(shù)基準(zhǔn)源設(shè)計中， PTAT 電壓產(chǎn)生電路選用熱電壓 VT， 而 CTAT 電壓產(chǎn)生電路選用雙極性晶體管的基極 發(fā)射極電壓 (VBE)。 雙極性器件的集電極電流可以表達(dá)為： )exp(TBESC VVII ? （ 23） 上式中 中 熱電壓 VT=kT/q，飽和電流 IS∝ μkTni2 ，其中 μ 表示 少數(shù)載流子的遷移率， ni為硅 材料 的本征載流子濃度。因此可以得出： TIIVIITVTV SSTSCTBE ???????? ln （ 27） 由式 (25)可得出 ： 243 )e x p ()e x p ()4( kTEkTEbTkTETmbTI ggmgmS ??????? ?? （ 28） TgTSST VkTETVmTIIV 2)4( ????? （ 29） 由式 (27)和 (29)可以得 : T qEVmVVkTETVmIITVTV gTBETgTSCTBE /)4()4(ln 2 ?????????? （ 210） 式 (210)表明了在給定的溫度下， VBE 的溫度系數(shù)也是一個常數(shù) ， 并且 ， 其值 與 VBE 本身大小有關(guān)。如圖 所示， 三極管 Q2 與 Q1 雖然工作在同一個電源電壓 VCC 下，但由于 Q2 是由 m 個 Q1 并聯(lián)而成的，因此流過他們的電流密度是不同的，具體表示為： I(Q1)= nI(Q2)。因此可以推導(dǎo)出： )()(3232322 RRR VVVRRIVV ZYBEBEOU T ??????? (214) )()(32323232 RRRVVRRR VVVVVV BEBEZXBEOUTYX ?????????? (215) 由式 (211)可得： 2. 基準(zhǔn)源的理論分析 11 )(ln3232 RRR nVVV TBEO UT ??? (216) nR RRTVTVTV TBEOUT ln3 322 ??????? (217) ?VBE2/?T 可由式 (210)計算，理論上只要 適當(dāng)?shù)剡x擇 n 與 R R3 的值， 就 可以使?Vout/?T=0。其公式表達(dá)式如下所示： )/(10)( 6m inm a x m inm a x CppmTTV VVT me a n ????? (221) (221)中的 Vmax， Vmin 是 基準(zhǔn)電壓源在選取的溫度范圍 [Tmin,Tmax]內(nèi)最大輸出基準(zhǔn)電壓值與最小輸出基準(zhǔn)電壓值。 其 基本計算公式為 ： ))](/)(log [ (20 ou tR i pp l einR i pp l eP SR R ? (222) 高的 PSRR 值對于帶隙基準(zhǔn)源來說格外重要。 噪聲（ Noise） 噪聲是大多數(shù)電路都需要考慮的一項(xiàng)性能指標(biāo)，通常可以分為外部噪聲和內(nèi)部噪聲。對于高精度 DAC 等系統(tǒng)中，低頻 1/f 噪聲是一個首要考慮的性能指標(biāo)。 2. 基準(zhǔn)源的理論分析 13 靈敏度（ Sensitivity） 基準(zhǔn)電源的靈敏度，即線調(diào)整率。基準(zhǔn)電壓源的精度保證了其可靠的性能以及穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，基準(zhǔn)源的精度對于許多高精度電路模塊來說格外重要，因?yàn)檫@些模塊的輸入電壓來自基準(zhǔn)源。負(fù)載調(diào)整率就是反映基準(zhǔn)輸出電壓受負(fù)載電流的影響大小，負(fù)載調(diào)整率是衡量基準(zhǔn)源好壞的一個主要性能指標(biāo)。 3. 工作在亞閾值區(qū)的傳統(tǒng) MOSFET 模型 14 MOSFET 模型 MOSFET 的物理結(jié)構(gòu) MOSFET(MetalOxideSemiconductor FieldEffect Transistor)即金屬 氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，是二極管之后電子行業(yè)最 重要的一項(xiàng)發(fā)明。 器件整體在 Psub（ P 型襯底）上進(jìn)行制作，兩個高摻雜濃度區(qū)域 (Heavily Doped Region ，用符號 N+或 P+表示 )上形成源端 (Source，用符號 S 表示 )和漏端 (Drain，用符號 D 表示 )。 源端和漏端 上方 的多晶 硅 區(qū)稱 為多晶硅 柵 (Poly Gate，用符號 G 表示 )，在多晶硅柵和襯底之間有一層很薄的隔離層，是由 SiO2 構(gòu)成的。 MOS 器件按種類分可以分為 NMOS 器件 和 PMOS 器件 ；按功能分可以分為增強(qiáng)型 MOS 器件 (Enhancement Mode MOSFET)和耗盡型 MOS 器件 (Depletion Mode MOSFET)。 可以證明： oxd e pFMSTH CQV ??? ?? 2 (31) )ln()(isubF nNqkT?? (32) 在 式 (31)中 ,ΦMS 為多晶硅柵和硅襯底的功函數(shù)之差的電壓 值，其中 Qdep 是耗盡區(qū)的電荷， Cox 是單位面積的柵氧化層電容 。 研究者發(fā)現(xiàn) ， 源端和襯端，漏端和襯端 形成的 PN 結(jié)的耗盡層 會 延伸到溝道。 同樣的 ， 源端和襯端，漏端和襯端形成的 PN 結(jié)的 耗盡層也會向?qū)挾确较虻?進(jìn)行延伸 ，使得 溝道變窄， MOS 管的閾值電壓比理想模型下 有所上升 ，這就是窄溝道效應(yīng)(Narrowchannel effects)。這種效應(yīng)稱為 “ 亞閾值導(dǎo)電 ” 。又因?yàn)殚撝惦妷?具有負(fù)溫度系數(shù) ， 因此柵源電壓與溫度的導(dǎo)數(shù)為負(fù)值，也就是說 柵源電壓 Vgs 具有負(fù)溫度系數(shù) 。 3. 工作在亞閾值區(qū)的傳統(tǒng) MOSFET 模型 17 傳統(tǒng)亞閾值 MOSFET 基準(zhǔn)源電路模型 根據(jù)之前小節(jié)的分析，可以得 出使用工作在亞閾值區(qū)的 MOSFET 取代過去帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計中的雙極晶體管來構(gòu)造新型低功耗基準(zhǔn)參考源電路是可行的方案。然而這個電路也有其局限性，因?yàn)榛鶞?zhǔn)輸出的值只能在特定的溫度下保持恒定，溫度系數(shù)這項(xiàng)性能指標(biāo)很差。 在對電路功耗優(yōu)化的過程中，靜態(tài)電流成為了一個技術(shù)瓶頸，減小靜態(tài)電流是延長可攜帶設(shè)備電池運(yùn)行效率的關(guān)鍵。本文描述了一個基于工作在亞閾值區(qū)的溫度補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型 CMOS 電壓基準(zhǔn)源的構(gòu)想。通過仿真可知，設(shè)計的基準(zhǔn)源擁有較低的溫度系數(shù)以及低頻率下合格的電源抑制比。當(dāng)選取合適寬長比的 M1 和 M2 令下式成立時，就可以得到一個與溫度無關(guān)的基準(zhǔn)源。推導(dǎo)可得： 4. 工作在亞閾值區(qū)的新型基準(zhǔn)電壓源 20 )e xp (3131 ??BoxoxNN kqttKK ??? (49) 電路具體設(shè)計 電路原理圖 電路原理圖僅由兩部分構(gòu)成，分別是啟動電路和基準(zhǔn)電源輸出電路。 圖 基準(zhǔn)電壓源電路原理圖 4. 工作在亞閾值區(qū)的新型基準(zhǔn)電壓源 21 器件參數(shù)的確定 將 (49)帶入到 (48)中，可以得到下式： ])([1000 kTTVV THr e f ???? ?