【正文】 當選取合適寬長比的 M1 和 M2 令下式成立時，就可以得到一個與溫度無關(guān)的基準源。然而這個電路也有其局限性，因為基準輸出的值只能在特定的溫度下保持恒定，溫度系數(shù)這項性能指標很差。 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(Narrowchannel effects)。 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?；鶞孰妷涸吹木缺ＷC了其可靠的性能以及穩(wěn)定的運行狀態(tài)，基準源的精度對于許多高精度電路模塊來說格外重要，因為這些模塊的輸入電壓來自基準源。 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 值對于帶隙基準源來說格外重要。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)。 2. 基準源的理論分析 7 帶隙基準源 帶隙基準源 (Bandgap Reference， BGR)是使用最廣泛、相對性能最好、種類最多的基準源。 第二章是對基準源的理論分析，簡要說明了基準源的分類，以及幾種基準源的性能比較；闡述了傳統(tǒng)帶隙基準源的結(jié)構(gòu)和基本原理；詳細介紹了基準源的幾個重要性能指標。在 V 的電源電壓就可以正常工作，輸出基準電壓為 514 mV，溫度系數(shù)為 20 ppm/℃ 在 0℃ 到 100℃范圍內(nèi) [27]。通過在電路中運用這些技術(shù)，基準源的溫漂系數(shù)可以達到 10 ppm/℃ 以下。 1984 年， G. M. Meijier 通過新型溫度補償電路實現(xiàn)了三極管發(fā)射極電壓的非線性溫度補償，其電路性能指標中溫漂系數(shù)得以顯著降低。 隨著近幾年 便攜式設(shè)備 (手機、 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)計向 更 低壓及 更 低功耗的方向發(fā)展。 正常工作狀態(tài)下，靜態(tài)電流為 nA， 功耗僅為 pW。除此之外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。幾年前，基于 45 nm 和 22 nm 的標準 CMOS 工藝技術(shù)已經(jīng)十分成熟，各類產(chǎn)品也實現(xiàn)量產(chǎn)。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。眾多研究人員基于此進行大量的深入研究和改進，近 10 年來純 CMOS 基準電路領(lǐng)域得到了巨大的發(fā)展。 20xx 年， Yueming Jiang 改變了常規(guī)低壓基準源噪聲較高的狀況，基于 μm 的工藝設(shè)計了一款低壓、低 1/f 噪聲的基準電壓源 [18]。如今，靜態(tài)電流已經(jīng)成為功耗設(shè)計的瓶頸，采用工作在亞閾值區(qū)的閾值電壓的溫度特性可以設(shè)計更低功耗的電路。 2. 基準源的理論分析 6 基準源的分類 基準源經(jīng)過幾十年的發(fā)展，由于其應用廣泛，各種各樣的設(shè)計方案層出不窮。 （ 2） 電源電壓 低，不同于齊納二極管基準源，帶隙基準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)境下運行 。為了簡化分析，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. 基準源的理論分析 10 圖 PTAT 電壓產(chǎn)生電路 將 Δ VBE 對溫度 T 求導，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) 是一個與常數(shù) ，在室溫下約為 + mV/℃ 。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。為了提高基準源的負載驅(qū)動能力，設(shè)計者通常采用驅(qū)動電路或者緩沖器加在基準源的輸出端的設(shè)計方 法。 圖 NMOS 器件的簡化結(jié)構(gòu) 在互補型 MOS(CMOS)工藝技術(shù)中， NMOS 器件 和 PMOS 器件在同一襯底上構(gòu)造，其中一類器件要做在“局部襯底”上，通常稱 之為“阱”。這一效應可用公式表示為 )]e x p (1)[e x p ()( 2TVqV VVVLWCI DSTH THGSTOXDS ??? ???? (33) 式 (33)中 , mTTTT ?? ))(()(00??是一個與溫度有關(guān)的工藝參數(shù)，其中 m 作為一個經(jīng)驗參數(shù)一般取 1～ 2 之間 。并且，偏置于亞閾區(qū)的器件對溫度的變化、工藝的變化、尤其是亞閾值電壓的消散非常敏感。如圖 所示，在基準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。與眾多文獻中的電路相比，本文提出的電路構(gòu)造的最大的特征是是功耗特別小。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 的負溫度特性。 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。 NMOS 器件的簡化結(jié)構(gòu)如圖 所示。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。溫漂系數(shù)反應了基準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)的平均基準電壓的變化率的大小。 下面將進行詳細的公式推導，來幫助理解帶隙基準源的設(shè)計原理。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行工作。 雖然不同的低功耗基準源設(shè)計文獻有不同的原理和電路構(gòu)造方法，然而從眾多文獻的閱讀中中可以得出結(jié)論：現(xiàn)在進行低功耗基準源設(shè)計的最佳方案是采取工作在亞閾值區(qū)的CMOS 電路。提高 PSRR 的方法有以下幾種：在基準電壓輸出支路添加大負載電容 [22]；在電路中構(gòu)造共源共柵電流鏡 [23]；提高運算放大器的增益和電源抑制比 [24]。 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 基準電壓源，主要運用于 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]。它是令具有負溫度系數(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)的基準電壓源 [2]?；鶞试窗凑掌涔δ芸梢院唵畏譃殡娏骰鶞试春碗妷夯鶞试矗麄兊闹饕饔镁褪墙o系統(tǒng)中其他電路結(jié)構(gòu)提供“標準”的電壓或電流。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 標準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 基準參考源 。對于亞閾值 MOSFET 基準電路模型的研究，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)的基準參考源。 基準電路 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?。 R. J. Widlar 首次提出了帶隙基準源(Bandgap Reference， BGR)的設(shè)計思想。 20xx 年，清華大學的 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)達到與溫度無關(guān)，從而設(shè)計為基準電壓源 [7]。 1994 1. 前言 4 年， 設(shè)計的帶隙基準源中去除了運放負反饋模塊，電路在在低頻時 PSRR 達到 95 dB，在 1MHZ 時電路 PSRR 也可以維持在 40dB 左右 [21]。通過使用 Cadence Spectre 軟件對所設(shè)計的電路進行各方面性能指標的仿真，并對電路反復進行改進和進一步仿真，從而得到最佳的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)。掩埋型齊納二極管是對傳統(tǒng)齊納二極管基準源的改進，改進后的基準源溫度系數(shù)和噪聲特性等性能指標得到大幅度的提升。 圖 基準電壓產(chǎn)生示意圖 負溫度系數(shù)電壓的實現(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)擁有典型的負溫度特性，因此常常被用來當做帶隙基準源的負溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生電路。 （ 2） 另一 種基準電壓源的基本結(jié)構(gòu)為： 圖 簡易帶隙基準參考源電路 2 232 RR VVVIRVV ZYYYREF ????? (218) 32132123 ln RRnVVRRVVRR VVVVVV TBEBEBEZXXR E FYX ?????????? (219) 321 ln RRnTVTVTV TBER E F ?????? (220) 基準源的幾個重要參數(shù) 2. 基準源的理論分析 12 溫漂系數(shù)（ Temperature Coefficient， TC） 溫漂系數(shù)用來表示基準源輸出基準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/℃ 。在一些電路的設(shè)計當中，為了降低電路噪聲需要提高功耗進而提升電路的響應速度。下面以廣泛使用的 P 型硅半導體襯底上擴散 N 阱的 N 型 MOSFET(NMOS)作為代表介紹其物理結(jié)構(gòu) [30]。 由于超大規(guī)模 集成電路的設(shè)計已經(jīng) 邁入 深亞微米時代， MOS 器件的尺寸也相應的越做越小， MOSFET 的溝道長度和寬度也越來越小。 然而，事實證明恒定的亞閾值電流