中 北 大 學畢業設計開題報告學 生 姓 名：白子晁學 號：1206024110學 院：儀器與電子學院專 業：微電子學設計題目：低壓低功耗CMOS帶隙基準電壓源的設計與仿真指導教師:朱平 2015 年11月13日畢 業 設 計 開 題 報 告1結合畢業設計課題情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述一、低壓低功耗CMOS帶隙基準電壓源的設計與仿真的背景與意義 1.1基準電壓源概述 基準電路包括基準電壓源和基準電流源，在電路中提供電壓基準和電流基準，是模擬集成電路和混合集成電路中非常重要的模塊1。隨著集成電路規模的不斷增大，特別是芯片系統集成(SOC)技術的提出，使基準電路被廣泛使用的同時，也對其性能提出了更高的要求。基準電流源主要作為高性能運算放大器等器件或電路的偏置。基準電壓源是模數轉換器(ADC)、數模轉換器(DAC)、線性穩壓器和開關穩壓器、溫度傳感器、充電電池保護芯片和通信電路等電路中不可缺少的部分，是在電路中用做基準的精確、穩定的電壓源。對模擬系統而言基準電壓源的性能直接影響整個系統的精度和性能2。作為AD、DA轉換器以及通信電路中的一個基本組件，基準源始終是集成電路中一個重要的單元模塊。它的溫度穩定性以及抗噪聲能力是影響到電路精度和性能的關鍵因素3。由于帶隙基準電壓、電流源電路的輸出電壓及電流幾乎不受溫度和電源電壓變化的影響，這就使得片內集成的帶隙基準電壓、電流源電路成了模擬集成電路芯片中不可缺少的關鍵部件4。 近年來，CMOS技術迅速發展，越來越多的集成電路采用CMOS工藝實現。理想的基準電壓源應不受電源和溫度的影響。在電路中能夠提供穩定的電壓,“基準這一術語正說明基準電壓源的數值。一般情況下，可用電阻分壓作為基準電壓，但它只能作為放大器的偏置電壓或提供放大器的工作電流5。這主要是由于其自身沒有穩壓作用，故輸出電壓的穩定性完全依賴于電源電壓的穩定性。另外，也可用二極管的正向壓降作為基準電壓，它可克服上述電路的缺點，得到不依賴于電源電壓的恒定基準電壓，但其電壓的穩定性并不高，且溫度系數是負的，約為-2mV。還可用硅穩壓二極管(簡稱穩壓管或齊納管)的擊穿電壓作為基準電壓，它可克服正向二極管作為基準電壓的一些缺點，但其溫度系數是正的，約為+2mV。因此，以上幾種均不適用于對基準電壓要求高的場合16。于是，在這種迫切的市場需求和設計者的不斷努力下，高精度的基準電壓源應運而生，并且種類繁多。在集成電路中，有三種常用的基準源：掩埋齊納(Zener)基準源、XFET基準源和帶隙(Bandgap)基準源7。 1.2課題的研究背景和應用前景 隨著便攜式電子產品的迅速發展，功耗成為現代集成電路產品的關鍵性能之一，而降低功耗的一個重要方法就是降低電源電壓。另一方面，現代集成電路特征尺寸越來越小，也導致集成電路產品的工作電壓越來越低。1999年，半導體工業協會對未來十年CMOS電路的電源電壓發展做了預測，預測到2010年，集成電路的電源電壓將下降到1V，而到2015年，電壓將進一步到045V8。盡管數字電路著來越重要的作用，數字化已經成為當代電子產品的發展方向，但模擬電路作為數字電的基礎，仍然起著不可替代的作用10。大量電子設備的原始信號均為模擬信號，如電磁記錄、揚聲器、麥克風等，它們所產生的信號均為模擬信號。這些信號在進行數字處理前必須先經過模擬信號處理，如放大、AD轉換等。同時，數字化處理以后的信息必須轉換為模擬電子信號11。 為現實世界所接受。近年來，單片系統集成SOC發展非常迅速。然而，從技術角度看，數字系統的單片集成并不困難，難點在于模擬部分的單片集成。在CMOS工藝日益發展的今天，采用CMOS技術制造的低電壓模擬電路的設計過程已經成為人們研究的熱點。在新的設計要求下，如何設計出性能合適的電路是我們需要研究的主要方向12。 如今，由于電源電壓的持續下降，低壓低功耗、低溫度系數、高電源抑制比的帶隙基準(Bandgap Reference)電壓源設計變得十分關鍵，因為帶隙基準電壓的精度直接決定了AD、DA轉換器的精度13。因此本論文旨在設計一種低壓，低功耗的帶隙基準電壓源，分別采用一階溫度補償和二階溫度補償的方式，實現高精度的基準電壓源。目前設計一種采用低電壓供電，并具有較低功耗的電壓基準電路有著特殊而重要的意義。首先是因為，當今市場對便攜類電子產品的需求越來越大，同時無線通信技術的快速發展加快了人們對更小、更輕、更耐用的電子產品的需求，幾乎所有的便攜設備都是使用化學電池作為動力來源，而一般來講，化學電池可以提供的電源電壓和功率都是十分有限的14。其次，隨著CMOSI藝水平的不斷提高，VLSI設計經歷了從025um至lJ018um，直至當今主流的013um，甚90rim的階段，與此相伴的是電源電壓的連續降低：025um為25V，018um為18V，013um為12V，而到了90nm工藝時，我們通常都是采用1V作為電源。在可以預計的未來，模擬電路的工作電壓還會持續降低，因此，為低功耗低電壓的電子設備設計相應的電壓基準就成為了科研人員的工作熱點之一。輸出不隨溫度、電源電壓變化的基準源在模擬和混合集成電路中的應用將更加廣泛15。隨著片上系統(SOC)的迅速發展，系統要求模擬集成模塊能夠兼容標準CMOSI藝，在SOC上，數字集成模塊的噪聲容易通過電源和地藕合到模擬集成模塊，這要求模擬集成模塊的PSRR非常高。同時，由于移動電子設備的逐漸增多，要求模擬集成電路的電源電壓能夠降至左右，功耗在uW量級上16。盡管掩埋齊納基準源和XFET基準源的輸出溫度穩定性非常好，但是它們的制造流程都不能兼容標準CMOS工藝。而且掩埋齊納基準源的輸出一般大于5V。相比之下，帶隙基準源同時具有以下優點：與標準CMOS工藝完全兼容：可以工作于低電源電壓下；溫度漂移、噪聲和PSRR等性能能夠滿足大部分系統的要求。正是具備以上優點，帶隙基準源得到了廣泛的研究與應用。在CMOS帶隙基準源中，低電源電壓、低功耗、高精度和高PSRR都將是未來的發展方向17。 1.3國內外的研究現狀 在國外精密測量儀器儀表和廣泛應用的數字通信系統中都經常把基準電壓源用作系統測量和校準的基準。因此，基準電壓源在模擬集成電路中占有很重要的地位，它直接影響著電子系統的性能和精度。近年來對它的研究也一直很活躍，運用雙極型工藝制成的基準電壓源已能達到相當高的性能和精度18。與之同時，二十世紀七十年代以來，由于對MOS晶體管的基本理論和制造技術的深入研究，加上電路設計和工藝技術的進步，MOS模擬集成電路得到了迅速發展。其中CMOS電路更是憑其工藝簡單、器件面積小、集成度高和功耗低等優點，成為數字集成電路產品的主流。在這一背景下，為了獲得低成本、高性能的模擬集成電路產品，基于標準數字CMOS工藝的各種高精度模擬電路受到了人們的關注，并成為集成電技術中的一個重要研究領域。而各種高精度基準電壓源由于其在數字模擬系統中的廣泛應用，更加具有廣闊的開發與應用前景19。 在國內，傳統的帶隙基準電路存在很多問題,在溫度系數,功耗,PSRR等方面無法達到現今集成電路的設計要求。近幾年針對這些問題，很多國內學者從功耗,PSRR,溫度系數,精度等方面對其進行了改進，取得了十分不錯的進展。如今帶隙基準源在AD/DA、電源芯片、鎖相環、高精度電壓表、電流表、歐姆表領域有著廣泛的應用20。 參 考 文 獻1應建華,李唯,一種指數補償帶隙基準源的設計,華中科技大學學報(自然科學報)JV01.35.No.6.Jun.20062吳國平,黃年亞等.一種二階曲率補償帶隙基準的研究,電子器件J，2005；0696033何捷,朱臻,王濤,李夢雄,洪志良,一種具有溫度補償,高電源抑制比的帶隙基源J,復旦大學學報(自然科學版),上海,2001,40.4畢查德拉扎維著,陳貴燦等譯,模擬CMOS集成電路設計,西安交通大學出版社M2002年2月第一版1:86705尹韜,朱樟明,楊銀堂,郭磊.襯底驅動MOSFET特性分析及超低壓運算放大器設計半導體學報J,2005,26(1):158.162.6Wang Xichuan,SI Cuiying,Xu Xing.Curvature-Compensated CMOS Bandgap Referencewim 1.8-V OperationJ,IEEE Journal of Solidstate Circuits.2006.7Yeong-Tsair Li Wen-Yaw Chung,Dong-Shiu Wu,Ho-Cheng Lin,Robert Lin.A LowVoltage CMOS Bandgap ReferencJ.IEEE Journal of Solid-state Circuits.2005.8Andrea Boni,OpAmps and Startup Circuits for CMOS Bandgap References WithNear l-V SupplyJ, IEEE Journal of Solid-State Circuits,2002,37(10):1339-1342.9Xing Xinpeng,LiDongmei,WangZhihua.A Near-lV 10ppm/*C CMOS BandgapReference with Curvature CompensationD.Journal Semiconductors.V01.29.No.1.Jan.2008.10A.J.Annema,”Lowpower bandgap reference featuring DTMOSTs.IEEE JournalOf SolidMState Circuits.VO 1.34,pp,94 9-955,19 99.11黃曉敏;沈緒榜,一種高精度的CMOS帶隙基準電壓源J-電子工2004(03)12 Paul Hasler,Bradley A.Minch and Chris Diorio.An Autozeroing FloatingGateAmplifierIEEE Transon Circuits and SystemsII：Analog and Digital ProcessingJ.Jan 2001.48(1):74-81.13 john Hyde,Todd Humes,Chris Diorio.A 300一MSs 14-bit Di tal-m-AnalogConverter in Logic CMOSIEEE Journal of Solid-State CircuitsJMay 200338(5)734-739.14Chatterjee.S,Tswidis.YA 0.5-V Bulk-input Fully Differential OperationalTranseonductance Aplifier.ESSCIRC 2004C,Sept.2004，147-150.15Haga.Y Zare-Hoseini.H,Design of a 0.8V Fully Differential CMOS OTAUsingthe Bulk-driven Technique.IEEE Int.Sym.Circuits and Systems 2005C,May2005，220-22.16Li S,Qiu Y B,Guo X P Electrochemical impedance of poly-pyrrole films under different conditionsJ .Acta Phys Chim Sin,2010,5(03):17-18.17B.J.Tesch,P.M.Pratt,K.Bacrania,M.Sanchez.14-b 125 MsPS Digotal-to-Analog.Converter and Bandgap Voltage Reference in 0.5um CMOSC,Proc.of the IEEE 1999 IS CAA, Orlando,FL,U.S.A.,June 1998,452-455.18J.Zhang,X.Zhao.Conducting Polymers Directly Coated on Reduced Graphene Oxide Sheets as High-Performance Supercapacitor ElectrodesJ. The Journal of Physical Chemistry C, 2012,116(9):5420-5426.19Allen P E,Douglas R H. CMOS Analog Circuit Design (Second Edition)M. Oxford University Press, Inc. 2002, 9-14.20Banba H, Shiga H. A CMOS bandgap reference circuit with sub 1-V operation J. IEEE Journal of Solid State Circuits, 1999, 34:670-674. 畢 業 設 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一、本課題要研究或解決的問題 在模/數轉換器、數/模轉換器、動態存儲器、Flash存儲器等集成電路設計中,低溫度系數、低壓低功耗、高電源抑制比的基準源設計是十分關鍵的。隨著深亞微米集成電路技術的不斷發展,集成電路的電源電壓越來越低,研究基于標準CMOS工藝的低壓低功耗基準源設計是十分必要的。2、 擬采用的研究手段 1.設計方案思路 在了解了傳統帶隙基準源電路結構后（圖2.1）,我認為研究傳統的結構，并對一階溫補償和二階溫度補償結構原理進行分析和比較。然后進一步研究幾種低壓帶隙基準電壓源電路的主要工作原理。在對各種低壓帶隙基準源分析比較的基礎上，采用二階溫度補償和電流反饋技術，設計實現一種基于襯底驅動技術和電阻分壓技術的超低壓CMOS帶隙基準電壓源。采用襯底驅動超低壓運算放大器作為基準源的負反饋，使其輸出用于產生自身的電電流源偏置。 畢 業 設 計 開 題 報 告指導教師意見：白子晁同學認真查閱了大量文獻資料，提交的開題報告反映了其對內容有了總體上的認識，對本次畢業設計所涉及到的器件及技術做了比較詳細的研究，對題目的背景意義作了較為全面的描述。另外在此基礎上設計的方案工作量、難度適中。開題報告撰寫規范，層次清晰符合開題報告要求，同意開題。 指導教師： 年 月 日所在學院審查意見： 負責人： 年 月 日附件：參考文獻注釋格式學術期刊 作者論文題目期刊名稱，出版年份，卷(期)：頁次如果作者的人數多于3人，則寫前三位作者的名字后面加“等”，作者之間以逗號隔開。例如：1 李峰,胡征,景蘇等. 納米粒子的控制生長和自組裝研究進展. 無機化學學報， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Che