【正文】 Threshold)。并且，偏置于亞閾區(qū)的器件對(duì)溫度的變化、工藝的變化、尤其是亞閾值電壓的消散非常敏感。在現(xiàn)今集成電路工藝下，純 CMOS 基準(zhǔn)參考源電路有許多傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源不具備的優(yōu)勢(shì)。這一效應(yīng)可用公式表示為 )]e x p (1)[e x p ()( 2TVqV VVVLWCI DSTH THGSTOXDS ??? ???? (33) 式 (33)中 , mTTTT ?? ))(()(00??是一個(gè)與溫度有關(guān)的工藝參數(shù)，其中 m 作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)一般取 1～ 2 之間 。在長(zhǎng)溝道器件中， 延伸區(qū)所占整個(gè)溝道比例可以忽略不計(jì)。 圖 NMOS 器件的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 在互補(bǔ)型 MOS(CMOS)工藝技術(shù)中， NMOS 器件 和 PMOS 器件在同一襯底上構(gòu)造，其中一類(lèi)器件要做在“局部襯底”上，通常稱(chēng) 之為“阱”。我們 將源端定義為提供載流子的終端，漏端定義為收集載流子 的終端。為了提高基準(zhǔn)源的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，設(shè)計(jì)者通常采用驅(qū)動(dòng)電路或者緩沖器加在基準(zhǔn)源的輸出端的設(shè)計(jì)方 法。在選定的電源電壓變化范圍內(nèi)，該項(xiàng)性能指標(biāo)反映的是基準(zhǔn)源輸出電壓受供電電壓的影響大小。外部噪聲一般與工作環(huán)境以及電源電壓的變化有關(guān)；電路的內(nèi)部噪聲主要包括寬帶熱噪聲和窄帶 1/f 噪聲。一般來(lái)說(shuō)，要盡可能降低基準(zhǔn)源中 TC 的值，因?yàn)?TC 越小，證明輸出電壓隨溫度變化時(shí)，性能越穩(wěn)定。為了簡(jiǎn)化分析，我們不考慮基極電流，因此 可以得到下式： )l n (lnln21 mnVmIIVInIVVVV TSCTS CTBEBEBE ?????? （ 211） 2. 基準(zhǔn)源的理論分析 10 圖 PTAT 電壓產(chǎn)生電路 將 Δ VBE 對(duì)溫度 T 求導(dǎo)，可得出 ： )l n ()l n ( mnqkmnTVTV TBE ??????? （ 212） 從式 (212)可以 清楚地 看出， 兩晶體 管的 ΔVBE 的溫度系數(shù) 是一個(gè)與常數(shù) ，在室溫下約為 + mV/℃ 。 其中 μ 與溫度的關(guān)系可以表示為 μ∝ μ0Tm ，其中 m≈ ，ni 與溫度的關(guān)系為： )ex p (32 kTETn gi ?? （ 24） (24)中的 Eg 為 本征硅材料 的 禁帶寬度 ，其值 約為 eV 左右。 （ 2） 電源電壓 低，不同于齊納二極管基準(zhǔn)源，帶隙基準(zhǔn)電壓源的電壓可以工作在較寬的電壓幅度內(nèi)， 最低可在 sub1 V 的工作環(huán)境下運(yùn)行 。 XFET 基準(zhǔn)源核心電路是由一對(duì)具有不同夾斷電壓的 P 溝道結(jié)場(chǎng)型場(chǎng)效應(yīng)管 (Pchannel Junction field effect transistor)和一個(gè)用來(lái)提升輸出特性的運(yùn)算放大器模塊構(gòu)成。 2. 基準(zhǔn)源的理論分析 6 基準(zhǔn)源的分類(lèi) 基準(zhǔn)源經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，由于其應(yīng)用廣泛，各種各樣的設(shè)計(jì)方案層出不窮。近幾年，便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備迅速發(fā)展，這些設(shè)備的續(xù)航能力也對(duì)低壓、低功耗帶隙基準(zhǔn)源提出了新的需求。如今，靜態(tài)電流已經(jīng)成為功耗設(shè)計(jì)的瓶頸，采用工作在亞閾值區(qū)的閾值電壓的溫度特性可以設(shè)計(jì)更低功耗的電路。 低功耗基準(zhǔn)源（ Low power bandgap reference circuit） 隨著芯片集成度的不斷提高，尤其是近幾年便攜式電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備井噴式的發(fā)展，集成電路性能指標(biāo)中低功耗已然成為現(xiàn)在最炙手可熱的研究課題。 20xx 年， Yueming Jiang 改變了常規(guī)低壓基準(zhǔn)源噪聲較高的狀況，基于 μm 的工藝設(shè)計(jì)了一款低壓、低 1/f 噪聲的基準(zhǔn)電壓源 [18]。對(duì)于傳統(tǒng)的具有一階補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)電壓源，溫漂系數(shù)一般在 20～ 60 ppm/℃ 范圍內(nèi)。眾多研究人員基于此進(jìn)行大量的深入研究和改進(jìn)，近 10 年來(lái)純 CMOS 基準(zhǔn)電路領(lǐng)域得到了巨大的發(fā)展。 1973 年， K. E. Kujik 提出了一種可代替齊納二極管的基準(zhǔn)電壓源，核心構(gòu)造是運(yùn)算放大器加薄膜電阻，其輸出參考電壓為 10 V。它的工作原理是：利用 PN 結(jié)的反向擊穿狀態(tài)，齊納二極管的電流可以在一定范圍 內(nèi)隨意改變而保持其電壓基本不變。 工藝尺寸的逐步減小，伴隨著的是集成電路的 工作電壓越來(lái)越低。幾年前，基于 45 nm 和 22 nm 的標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝技術(shù)已經(jīng)十分成熟，各類(lèi)產(chǎn)品也實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。采用 Cadence Spectre 仿真工具對(duì)基準(zhǔn)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果為：溫度掃描從 20 ℃到 80 ℃ ，基準(zhǔn)輸出隨溫度的變化僅為 mV，基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)為 ppm/℃ 。除此之外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。電壓基準(zhǔn)源廣 泛應(yīng)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn) 換器 (DAC)、低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO)等模擬和數(shù)?；旌霞呻娐?以及片上系統(tǒng) (SoC)芯片中 。 正常工作狀態(tài)下，靜態(tài)電流為 nA， 功耗僅為 pW。另一個(gè)集成電路行業(yè)領(lǐng)頭羊臺(tái)積電 (TSMC)預(yù)計(jì) 2017 年完成 10 nm 工藝的量產(chǎn) 。 隨著近幾年 便攜式設(shè)備 (手機(jī)、 平板電腦 、筆記本電腦 )、以及各種可穿戴設(shè)備 (Google Glass、 Oculus Rift、 Apple Watch)等的迅猛發(fā)展 ，也要求電路設(shè)計(jì)向 更 低壓及 更 低功耗的方向發(fā)展。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。 1984 年， G. M. Meijier 通過(guò)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。 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(gè)數(shù)量級(jí)。通過(guò)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。 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 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]。 本文主要工作和論文結(jié)構(gòu) 作者通過(guò)閱讀大量的最近幾年國(guó)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(duì)比分析各個(gè)方案的優(yōu)劣之處，總結(jié)和歸納各種電路的構(gòu)造原理。 第二章是對(duì)基準(zhǔn)源的理論分析，簡(jiǎn)要說(shuō)明了基準(zhǔn)源的分類(lèi)，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(gè)重要性能指標(biāo)。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)。 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(duì)性能最好、種類(lèi)最多的基準(zhǔn)源。在大多數(shù)基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)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)。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(gè)常數(shù) ， 并且 ， 其值 與 VBE 本身大小有關(guān)。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(jì)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 基本計(jì)算公式為 ： ))](/)(log [ (20 ou tR i pp l einR i pp l eP SR R ? (222) 高的 PSRR 值對(duì)于帶隙基準(zhǔn)源來(lái)說(shuō)格外重要。對(duì)于高精度 DAC 等系統(tǒng)中，低頻 1/f 噪聲是一個(gè)首要考慮的性能指標(biāo)。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(duì)于許多高精度電路模塊來(lái)說(shuō)格外重要，因?yàn)檫@些模塊的輸入電壓來(lái)自基準(zhǔn)源。 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(chǎng)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。 源端和漏端 上方 的多晶 硅 區(qū)稱(chēng) 為多晶硅 柵 (Poly Gate，用符號(hào) 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。 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 。 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(huì)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)。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(shuō) 柵源電壓 Vgs 具有負(fù)溫度系數(shù) 。然而這個(gè)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。本文描述了一個(gè)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。當(dāng)選取合適寬長(zhǎng)比的 M1 和 M2 令下式成立時(shí)，就可以得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)源。 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 ???? ?