【正文】 用戶體驗(yàn)以及產(chǎn)品性能。在一些電路的設(shè)計當(dāng)中，為了降低電路噪聲需要提高功耗進(jìn)而提升電路的響應(yīng)速度。如果電源噪聲在帶隙基準(zhǔn)電路中沒有很好地抑制，那么誤差會直接進(jìn)入放大器、比較器等其他功能模塊，引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)，最終得到的輸出結(jié)果就非常不精準(zhǔn)了。 （ 2） 另一 種基準(zhǔn)電壓源的基本結(jié)構(gòu)為： 圖 簡易帶隙基準(zhǔn)參考源電路 2 232 RR VVVIRVV ZYYYREF ????? (218) 32132123 ln RRnVVRRVVRR VVVVVV TBEBEBEZXXR E FYX ?????????? (219) 321 ln RRnTVTVTV TBER E F ?????? (220) 基準(zhǔn)源的幾個重要參數(shù) 2. 基準(zhǔn)源的理論分析 12 溫漂系數(shù)（ Temperature Coefficient， TC） 溫漂系數(shù)用來表示基準(zhǔn)源輸出基準(zhǔn)電壓隨溫度的變化其值改變的速率，簡稱為溫漂，單位一般使用 ppm/℃ 。 室溫下（ T=27℃ ） ，當(dāng) VBE 等于 標(biāo)準(zhǔn)值 V 時，其負(fù)溫度系數(shù) 值的大小 約為 2 mV/℃ 。 圖 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生示意圖 負(fù)溫度系數(shù)電壓的實(shí)現(xiàn) 由前面章節(jié)可以了解到雙極性晶體管的基極 發(fā)射極電壓 (VBE)擁有典型的負(fù)溫度特性，因此常常被用來當(dāng)做帶隙基準(zhǔn)源的負(fù)溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生電路。輸出基準(zhǔn)電壓可以表示為 2211 VVV re f ?? ?? 。掩埋型齊納二極管是對傳統(tǒng)齊納二極管基準(zhǔn)源的改進(jìn)，改進(jìn)后的基準(zhǔn)源溫度系數(shù)和噪聲特性等性能指標(biāo)得到大幅度的提升。 第四章本文基于 TSMC μm 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 制作工藝，設(shè)計了一款工作在亞閾值區(qū)的新型低壓、低功耗、 CMOS 基準(zhǔn)源電路。通過使用 Cadence Spectre 軟件對所設(shè)計的電路進(jìn)行各方面性能指標(biāo)的仿真，并對電路反復(fù)進(jìn)行改進(jìn)和進(jìn)一步仿真，從而得到最佳的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)?，F(xiàn)在最前沿的技術(shù)已經(jīng)將基準(zhǔn)源的功耗從 μW 級降到了 nW 級，關(guān)于這方面的文獻(xiàn)也比較多，例如文 獻(xiàn) [19]中，在 μm 工藝下，實(shí)現(xiàn)了 nW 的低功耗帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計。 1994 1. 前言 4 年， 設(shè)計的帶隙基準(zhǔn)源中去除了運(yùn)放負(fù)反饋模塊，電路在在低頻時 PSRR 達(dá)到 95 dB，在 1MHZ 時電路 PSRR 也可以維持在 40dB 左右 [21]。 V( μm)和 V(90 nm)的電源電壓已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源的工作電壓為 V 左右，然而 V 對于發(fā)展迅速的可攜帶設(shè)備、可穿戴設(shè)備、動態(tài)隨機(jī)存儲器 (DRAM)等來說已不能滿足需求，更低的電源電壓是必然的發(fā)展趨勢。 20xx 年，清華大學(xué)的 Qing Ding 等人設(shè)計出一款工作在 1 V 以下 (sub1V)、超 低功耗 (52 nw)的純 CMOS 基準(zhǔn)電壓源，采用工作在亞閾值區(qū)的閾值電壓不同的 MOS 管，其 ΔVgs 可以通過調(diào)整器件參數(shù)達(dá)到與溫度無關(guān)，從而設(shè)計為基準(zhǔn)電壓源 [7]。 1999 年， Banba 打破了帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出電壓 V 的瓶頸，通過在運(yùn)放兩輸入端加入相同阻值的分流電阻設(shè)計了一款可以工作在 1 V 以下 的 CMOS 基準(zhǔn)源，輸出基準(zhǔn)由結(jié)合一個反饋環(huán)的兩路電流產(chǎn)生 [4]。 R. J. Widlar 首次提出了帶隙基準(zhǔn)源(Bandgap Reference， BGR)的設(shè)計思想。雖然電壓基準(zhǔn)源發(fā)展歷程只有短短幾十年，然而性能指標(biāo)不斷刷新，新型設(shè)計方案層出不窮。 基準(zhǔn)電路 是集成電路設(shè) 計 中 必不可少的一個核心模塊 ， 在數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、傳感器 (Sensor)、動態(tài)存儲設(shè)備 (DRAM)、閃存 (Flash Memory)等模擬電路或數(shù)?；旌想娐分卸加兴纳碛?。 【關(guān)鍵詞】：基準(zhǔn)電壓源 低功耗 亞閾值特性 CMOS 1. 前言 1 選題背景 互補(bǔ)型 MOS 器件 (Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS)是由仙童半導(dǎo)體公司的 Frank Wanlass 于 1963 年率先研發(fā)成功的。對于亞閾值 MOSFET 基準(zhǔn)電路模型的研究，傳統(tǒng)設(shè)計是從亞閾值 MOSFET 柵源電壓的溫度特性入手，構(gòu)造零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)參考源。 深 圳 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計） 題目 : 低功耗 CMOS 電壓參考電路的設(shè)計研究 姓名 : 高曉杰 專業(yè) : 集成電路設(shè)計與集成系統(tǒng) 學(xué)院 : 信息工程學(xué)院 學(xué)號 : 20xx130344 指導(dǎo)教師 : 姜梅 職稱： 講師 20xx 年 4 月 19 日 深圳大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計），題目《 低功耗 CMOS電壓參考電路的設(shè)計研究 》 是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。本文利用的是工作在亞閾值區(qū)的閾值電壓不同的兩 MOSFET 器件 ， 基于 TSMC μm 標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝技術(shù) ，設(shè)計了一款工作在亞閾值區(qū)、結(jié)構(gòu)簡單的 純 CMOS 低壓、低功耗 基準(zhǔn)參考源 。 CMOS 器件的誕生標(biāo)志著半導(dǎo)體工業(yè)高速發(fā)展時代的開始，自此 集成電路（ Integrated Circuit， IC） 行業(yè)的發(fā)展歷程基本遵循了 Gordon E. Moore 于 1965 年預(yù)言的著名的摩爾定律 [1]?；鶞?zhǔn)源按照其功能可以簡單分為電流基準(zhǔn)源和電壓基準(zhǔn)源，他們的主要作用就是給系統(tǒng)中其他電路結(jié)構(gòu)提供“標(biāo)準(zhǔn)”的電壓或電流。 在最初的時候，人們選擇電池作為電路的基準(zhǔn)源，但由于其性能表現(xiàn)較差、成本高昂又比較笨重，電池很快就成為了歷史。它是令具有負(fù)溫度系數(shù)的三極管基極 射極電壓(VBE)和工作在不相等電流密度的具有正溫度系數(shù)的兩個三極管發(fā)射結(jié)電壓之差 (ΔVBE)，通過設(shè)定合適的系數(shù)相 加就可以得到理論上的具有零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源 [2]。 20xx年， Filanovsky發(fā)現(xiàn)了工作在亞閾值區(qū)的 MOSFET 在一定偏置下，其柵 源電壓 (Vgs)擁有負(fù)溫度特性 。 1. 前言 3 20xx 年，芬蘭 Aalto University 的 Shailesh Singh Chouhan 和 Kari Halonen 基于 μm工藝下，設(shè)計了一款低壓低功耗 (Vref= mV， P= μW)、溫漂系數(shù) ppm/℃ 的高性能純 CMOS 基準(zhǔn)電壓源，主要運(yùn)用于 RFID(Radio Frequency Identification， 射頻識別 )系統(tǒng)中 LDO(low dropout regulator， 低壓差線性穩(wěn)壓器 )的設(shè)計 [8]。早在 1999 年， Banba 就在自己的論文中采用折疊電阻的方法對 Brokaw 之前提出的帶隙參考源 [15]進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型的低壓帶隙基準(zhǔn)電壓源 [16]，將電源電壓降到 1 V 左右。提高 PSRR 的方法有以下幾種：在基準(zhǔn)電壓輸出支路添加大負(fù)載電容 [22]；在電路中構(gòu)造共源共柵電流鏡 [23]；提高運(yùn)算放大器的增益和電源抑制比 [24]。以及文獻(xiàn) [28]中， Luca Magnelli, Felice Crupi等設(shè)計了一款最低可工作在 V 的純 CMOS 基準(zhǔn)電壓源，其功耗低達(dá) nW。 雖然不同的低功耗基準(zhǔn)源設(shè)計文獻(xiàn)有不同的原理和電路構(gòu)造方法，然而從眾多文獻(xiàn)的閱讀中中可以得出結(jié)論：現(xiàn)在進(jìn)行低功耗基準(zhǔn)源設(shè)計的最佳方案是采取工作在亞閾值區(qū)的CMOS 電路。并對其設(shè)計原理 (亞閾值區(qū) MOS 管閾值電壓的溫度特性 )進(jìn)行簡要介紹、對電路結(jié)構(gòu)以及各器件參數(shù)的確定等進(jìn)行說明，并對其各方面性能參數(shù)進(jìn)行仿真和 分析。然而掩埋型齊納二極管的一個重要缺陷就是不適合在低壓下進(jìn)行工作。圖 所示的是一種經(jīng)典的帶隙基準(zhǔn)電壓源。 下面將進(jìn)行詳細(xì)的公式推導(dǎo)，來幫助理解帶隙基準(zhǔn)源的設(shè)計原理。 正溫度系數(shù)電壓的實(shí)現(xiàn) 在很早以前 ， 設(shè)計者就注意到流過不同大小電路的兩個 雙極 型 晶體管， 它們的 基極 發(fā)射極電壓之差 是擁有正溫度系數(shù)的 。溫漂系數(shù)反應(yīng)了基準(zhǔn)源電路在整個選擇的溫度范圍內(nèi) [Tmin,Tmax]，Vref 的相對于 該段溫度范圍內(nèi)的平均基準(zhǔn)電壓的變化率的大小。因此 在設(shè)計帶隙基準(zhǔn)電壓源 的過程中 ， 要通過改造電路結(jié)構(gòu)，包括通過在電路中添加運(yùn)算放大器或者將基準(zhǔn)電路與低壓差線性穩(wěn)壓器結(jié)合等方法，提高帶隙基準(zhǔn)源的 PSRR 值。然而由于片上集成度的日益升高，設(shè)備的散熱以及電池的使用壽命越來越受到人們的關(guān)注，在電路性能不受很大影響的基礎(chǔ)上，降低功耗成為人們的普遍訴求。 負(fù)載調(diào)整率（ Load Regulation） 電源負(fù)載的變化會引起基準(zhǔn)源輸出的波動。 NMOS 器件的簡化結(jié)構(gòu)如圖 所示。 一般將NMOS 器件的襯底連接到 GND 上，將 PMOS 器件的襯底連接到 VDD 上。 上式在求解理想 MOS 管的閾值電壓時， 沒有考慮到 溝道在源、漏兩端的邊緣效應(yīng)。然而，事實(shí)上 MOSFET 的漏源電流并不等于零，還會有一小股電流通過器件，該電流稱之為“亞閾電流”，這個工作區(qū)域也稱為“亞閾值區(qū)” (Subthreshold region， 也被稱作“弱反型區(qū)” )，亞閾值 電流是 MOS 管的源、漏端載流子的濃度差產(chǎn)生的擴(kuò)散電流，與電壓不再滿足平方關(guān)系。因此，大多數(shù)設(shè)計者都是在電路中構(gòu)造 IPTAT 電流源，以獲取柵源電壓 Vgs 的負(fù)溫度特性。低功耗設(shè)計還廣泛應(yīng)用于微型無線傳感器 (Wireless Microsensors )，生物醫(yī)學(xué)植入物 (Biomedical Implants)以及智能傳感網(wǎng)絡(luò) (Smart Sensor Network)等新型設(shè)備中。與眾多文獻(xiàn)中的電路相比，本文提出的電路構(gòu)造的最大的特征是是功耗特別小。根據(jù) TSMC μm工藝參數(shù)，式 (46)中括號內(nèi)第二項(xiàng)可以估算為 ( η1)VSB[31]，因此 (46)可以被寫為： SBTHTH VTTkTVV )1()()( 00* ????? ? (47) 結(jié)合 (45)和 (47)可得， Vref 表示 為： 311302 ln)]([1NNoxoxTTHGSr e f KKttVTTkVVV ??????? ? (48) 式中， Δ VTH(T0)=VTH3(T0)VTH1(T0)， Δ k=k3k1， Vref 的表達(dá)式對溫度求偏導(dǎo)，當(dāng)其值為 0 時，基準(zhǔn)電壓就與溫度無關(guān)。如圖 所示，在基準(zhǔn)電源輸出電路中所有的 MOSFETs 都工作在亞閾值區(qū)， NMOS 管 M1~3 用來產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓， PMOS 管 M4 和 M5 構(gòu)成了一個工作在亞閾值區(qū)的電流鏡用來為兩個分支提供相同比率的電流。 電路設(shè)計原理 一款基于亞閾值區(qū)兩閾值電壓不同的 MOSFET 器件構(gòu)造的基準(zhǔn)電壓源如下圖所示，SVT 器件 M1 擁有標(biāo)準(zhǔn)的閾值電壓 (Standard Voltage Threshold)， HVT 器件 M2 擁有比較高的閾值電壓 (High Voltage