【正文】 Ids 是很難在電路中實(shí)現(xiàn)的，而 IPTAT 電流源卻比較容易實(shí)現(xiàn)。 許多電路 系統(tǒng)都至少有三個(gè)電流分支，而在本電路中，電流產(chǎn)生模塊和有源負(fù)載模塊集成到一個(gè)分支上，因此核心電路只有兩個(gè)分支。由 MS0、 MS MS MS3 以及電容 C0 構(gòu)成的啟動(dòng)電路用來(lái)保證電路能進(jìn)入到正常工作狀態(tài)，并在電路正常工作的同時(shí)啟動(dòng)電路關(guān)閉。這些都為設(shè)計(jì)者帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。 器件工作在亞閾值區(qū)域時(shí)， 雖然 工作電流很小， 但是亞閾值電流能夠通過(guò)柵極電壓方便的進(jìn)行控制，因而 有利于進(jìn)行 低壓、 低功耗的設(shè)計(jì)。在大多數(shù) CMOS 工藝中，采用 P型襯底，所有 NMOS 都構(gòu)造在同一襯底上， PMOS 器件則做在 P 襯底上擴(kuò)散的 N 阱中，因此每個(gè) PMOS 管都保持相互獨(dú)立， PMOS 管的這種靈活性在許多電路設(shè)計(jì)中廣泛使用。 長(zhǎng)期穩(wěn)定性（ Long Term Stability） 基準(zhǔn)源不僅要具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，還要在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持輸出基準(zhǔn)的穩(wěn)定。使用 RC 低通濾波器被證明是一種有效降低熱噪聲的方法。 事實(shí)上，隨著溫度的變化，三極管的二級(jí)效應(yīng)會(huì)使其溫度系數(shù)值發(fā)生略微的變化，因此傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)帶隙基準(zhǔn)源的正溫度系數(shù)電壓的產(chǎn)生原理并不完美。 （ 3） 電源抑制比大，輸出電壓受供電電源的影響比較小。下面介紹三種基準(zhǔn)電壓源 ：掩埋齊納二極管 基準(zhǔn)電壓源、 XFET 基準(zhǔn)電壓源、 帶隙 基準(zhǔn)電壓源等 。另外，通過(guò)采用阻值較大的電阻可以降低電路的功耗，然而是以犧牲硅面積 為代價(jià)，因此不太適用于 SoC 的設(shè)計(jì)。 20xx 年以來(lái)，有眾多文獻(xiàn)中基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)工作在 1 V 以下的電壓 [19][20],雖然許多設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)和穩(wěn)定性都已達(dá)到相當(dāng)水準(zhǔn)，然而 sub1V帶隙基準(zhǔn)源的技術(shù)仍不算 成熟，工藝成本仍需降低。 20xx 年， Ka Nang Leung 通過(guò)在電路中添加高抵抗性的多晶硅電阻構(gòu)成的溫度補(bǔ)償模塊，使基準(zhǔn)源在 2 V 左右的工作電壓下達(dá)到 10 ppm/℃的出色的溫度系數(shù)指標(biāo)。正常工作狀態(tài)下齊納管的電流為幾毫安，而它可以達(dá)到 7 V 左右的穩(wěn)定電壓。如今， Intel 最新發(fā)布的處理器 Core M 在僅僅 82 平方毫米的面積上集成了 13 億個(gè)晶體管 ,這也是世界上第一款投入商用的基于 14 nm 工藝的處理器。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果。 電源抑制比（ PSRR） 在電路工作在直流下為 dB， 低頻 下可達(dá)到 dB， 在 1KHz 的時(shí)候降到 dB，在 1MHz 的時(shí)候也能保持 dB。對(duì)于 90 nm 工藝，器件最高可以承受約 1V 左右的電壓，然而，工作在低于 1V（ sub1V）的電路才能迎合日新月異的技術(shù)和產(chǎn)品更迭。這是早期工作在亞閾值區(qū)的 CMOS 基準(zhǔn)源一次成功的嘗試 [3]。目前高階補(bǔ)償技術(shù)包括二階曲率補(bǔ)償技術(shù) [9]、指數(shù)曲線補(bǔ)償技術(shù) [10]、電流相減補(bǔ)償法 [11]、電壓疊加補(bǔ)償法 [12]、VBE 線性化技術(shù) [13]、基于電阻比值的曲線補(bǔ)償法 [14]、基于 ΔVgs 加權(quán)補(bǔ)償技術(shù) [15]等。 20xx 年， Luis enrique de 等人設(shè)計(jì)的電路中沒(méi)有使用雙極性晶體管，只有電阻和工作在亞閾值區(qū)的 MOS 管。 本文主要內(nèi)容如下安排： 第一章是前言，通過(guò)查閱相關(guān)資料，介紹了本文的選題背景，總結(jié)概括了基準(zhǔn)源的發(fā)展史、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，列舉了本文的主要工作和結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)技術(shù)已被證明適用于太空作業(yè)以及核能系統(tǒng)中。值得一提的是，集電極電流 IC 大小也同樣與溫度有關(guān)，然而為了令理解和分析簡(jiǎn)化，在這 里暫時(shí)假設(shè) IC 是不隨溫度發(fā)生改變的恒定值。電源抑制比 (PSRR)的單位為分貝 (dB)， 在設(shè)計(jì)中，我們期望 PSRR 值盡可能大，因?yàn)镻SRR 值 越大，輸出 基準(zhǔn)源 受到電源的影響 就 越小 。 %1 0 0%1 0 0// ???????? ddREFREFdddddd REFREFVV VVVVVV VVS REFdd （ 223） 精度（ Accuracy） 精度是許多電路最重要的性能參數(shù)，基準(zhǔn)電壓源電路也不例外。源端和漏端之間有兩個(gè) PN 結(jié)，在經(jīng)典的 MOSFET 的電路設(shè)計(jì)中， MOS 器件所有 PN 結(jié)一定要反偏。導(dǎo)致了位于柵極下方的硅表面實(shí)現(xiàn)反型所需的電荷量越來(lái)越小，閾值電壓也變得越來(lái)越小，這種效應(yīng)被稱作短溝道效應(yīng)(Shortchannel effects)。 一種傳統(tǒng)的亞閾值 MOSFET 基準(zhǔn)源電路工作原理如圖 所示，由前面的分析可知，當(dāng) MOS 管工作在亞閾值狀態(tài)下時(shí)，其柵源電壓 Vgs 具有負(fù)溫度系數(shù)，而熱電壓 VT 具有正的溫度系數(shù)，因此可以結(jié)合兩者特性構(gòu)造與溫度無(wú)關(guān)的基準(zhǔn)電壓源： TGSREF VVV ??? (36) 通過(guò)調(diào)整系數(shù) α 的值，可以使上式中的 Vref 在一個(gè)特定溫度下溫度系數(shù)為 0，由于 Vgs由 MOS 管的偏置電流決定，因此構(gòu)造一個(gè)穩(wěn)定的偏置電流是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。由于 MOSFET 的閾值電壓 VTH具有負(fù)溫度特性，因此 (43)式右端第 一項(xiàng) (VTH2VTH1)可以充當(dāng)基準(zhǔn)源的負(fù)溫度電壓產(chǎn)生部分，第二項(xiàng)可以充當(dāng)基準(zhǔn)源的正溫度電壓產(chǎn)生部分。 0???TVbg (44) 通過(guò)研究工作在亞閾值區(qū)的 NMOS 的 IV 特性，可知當(dāng)漏源電壓 Vds 大于四倍的熱電壓 VT 時(shí)，注入電流的公式可以簡(jiǎn) 化為： )e xp()1( 2* 13232113TTHTHTHTNNNoxoxoxn V VVVVK KKttCI ??? ???? (45) 公式 (45)中的 μn 是載流子的遷移率， Cox 是單位面積的柵氧化層電容， VT=kBT/q 是熱電壓 (kB 是玻爾茲曼常數(shù)， q 是基本電荷， T 是絕對(duì)溫度 )。 圖 基準(zhǔn)電壓源 原理圖 4. 工作在亞閾值區(qū)的新型基準(zhǔn)電壓源 18 電路基本介紹 工作在亞閾值區(qū)的 MOSFET 電路在低壓、低功耗設(shè)計(jì)中變得越來(lái)越流行。 短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)的閾值電壓的變化趨勢(shì)由 圖 所示。 MOSFET 器件的有效作用就發(fā)生在柵氧下的襯底區(qū)， 這段區(qū)域也被叫做“ 溝道 ” 。 啟動(dòng)時(shí)間（ Startup Time） 啟動(dòng)時(shí)間是指基準(zhǔn)源電路從得到電源電壓的一刻起，直到其輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的那一刻為止，時(shí)間一共的長(zhǎng)短。原因是，帶隙基準(zhǔn)源作為整個(gè)電路系統(tǒng)的電壓標(biāo)尺，一個(gè)系統(tǒng)中多個(gè)功能模塊都使用帶隙基準(zhǔn)源作為其電壓輸入。 又因?yàn)?VBE 通常小于 Eg /q， 所以 可以得出 VBE 與 溫度是 負(fù)相關(guān) 的 。帶隙基準(zhǔn)源的原理可由下式進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明： 0// 211 ?????? ? TVTV ?? （ 21） 式中 V1 和 V2 分別是電路中具有相反溫度系數(shù)的電壓， α1 和 α2 是 選定的系數(shù)。 第三章主要介紹工作在亞閾值區(qū)的 MOSFET 的模型，包括以 p 襯 n 阱 的標(biāo)準(zhǔn) NMOS 器件 為例介紹 MOS 器件的物理結(jié)構(gòu)；解析 MOS 器件閾值電壓的公式；并對(duì)亞閾值區(qū) MOS管的電特性 (I～ V 特性 )以及亞閾值區(qū) MOS 管柵 源電壓 (Vgs)的溫度特性進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。 20xx 年，Shailesh Singh Chouhan 采用 μm 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝，設(shè)計(jì)了一款運(yùn)用于低壓差線性穩(wěn)壓器（ LDO）的低功耗基準(zhǔn)電壓源，其功耗約 2 μW[8]。 低壓基準(zhǔn)源（ Low voltage bandgap reference circuit） 近年來(lái)，隨著深亞微米集成電路技術(shù)的 不斷發(fā)展下，晶體管越做越小，越做越密，集成電路要求的電源電壓也越來(lái)越低。 1993 年， M. Gunawan 設(shè)計(jì)了一款新型的曲率補(bǔ)償?shù)膸痘鶞?zhǔn)源電路，供電電壓可以低至 1 V，輸出電流約 100 μA，輸出基準(zhǔn)電壓約為 200 mV。 基準(zhǔn)源發(fā)展史 電壓基準(zhǔn)源 (Reference Voltage)是指輸出不隨外界溫度、供電電壓、制造工藝等其他因素改變而發(fā)生變化的電壓源，基準(zhǔn)源既可以獨(dú)立存在的，也可以集成在具有多功能的電路當(dāng)中。 仿真結(jié)果表明，性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明。近 20 年來(lái)，集成電路行業(yè)已經(jīng)飛速邁過(guò)了大規(guī)模 (LSI)、 超大規(guī)模 (VLSI)、特大規(guī)模 (ULSI)等幾個(gè)時(shí)代。 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。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(jì)方案中負(fù)溫度系數(shù)產(chǎn)生模塊的熱門(mén)之選。 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(jiǎn)化了復(fù)雜的功放模塊和曲率補(bǔ)償模塊。 通過(guò)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(jì)的首選方案是工作在亞閾值區(qū)的 CMOS 電路。 第五章進(jìn)行總結(jié)，概括本文的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)結(jié)果，并對(duì)未來(lái)低功耗基準(zhǔn)源的發(fā)展提出預(yù)想。 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。如圖 所示， 三極管 Q2 與 Q1 雖然工作在同一個(gè)電源電壓 VCC 下，但由于 Q2 是由 m 個(gè) Q1 并聯(lián)而成的，因此流過(guò)他們的電流密度是不同的，具體表示為： I(Q1)= nI(Q2)。 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?？梢苑譃橥獠吭肼暫蛢?nèi)部噪聲。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(gè)主要性能指標(biāo)。 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)。這種效應(yīng)稱為 “ 亞閾值導(dǎo)電 ” 。 在對(duì)電路功耗優(yōu)化的過(guò)程中，靜態(tài)電流成為了一個(gè)技術(shù)瓶頸，減小靜態(tài)電流是延長(zhǎng)可攜帶設(shè)備電池運(yùn)行效率的關(guān)鍵。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(jì) 電路原理圖 電路原理圖僅由兩部分構(gòu)成，分別是啟動(dòng)電路和基準(zhǔn)電源輸出電路。通過(guò)仿真可知，設(shè)計(jì)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。 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(guò)去帶隙基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)中的雙極晶體管來(lái)構(gòu)造新型低功耗基準(zhǔn)參考源電路是可行的方案。 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(huì) 延伸到溝道。 器件整體在 Psub（ P 型襯底）上進(jìn)行制作，兩個(gè)高摻雜濃度區(qū)域 (Heavily Doped Region ，用符號(hào) N+或 P+表示 )上形成源端 (Source，用符號(hào) S 表示 )和漏端 (Drain，用符號(hào) D 表示 )。 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。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。 雙極性器件的集電極電流可以表達(dá)為：