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纳米工艺下低压低功耗高精度电压基准源的研究与设计

赵思源  
【摘要】:CMOS器件尺寸的按比例缩小推动数字应用领域不断向前发展,这使得集成电路的制造成本,工作电压,功耗不断降低。纳米工艺进一步推动低压低功耗这一整体趋势向着更高的水平发展。电压基准电路是众多模拟电路、数模混合电路模块必不可少的单元。它能够为其他模块提供独立、稳定、精确的基准电压,在低压低功耗这一整体发展趋势下实现电压基准源的设计具有重要的意义。论文首先分析了低压低功耗高精度电压基准源的研究背景与意义,以及国内外的发展现状。简单介绍了本次基准源设计所在的12bit 200Msps Current-Steering DAC项目,对C-S DAC的种类进行了分析,阐述了电压基准源在C-S DAC中的作用,给出了本次低压低功耗高精度基准源设计的指标。然后,本章对电压基准源进行了概述。对各个类型的电压基准源进行分析比较,介绍了基准源的主要性能指标,分析了传统带隙基准源的工作原理,从工艺层面对功耗、电源电压等设计参数进行分析,结合具体低压低功耗基准源电路,进行理论分析,并分析其电路功能。接着,结合CMOS工艺下器件结构,分析其工作原理,推导了MOS器件的阈值电压,分析阈值电压的温度特性,描述了MOS器件亚阈值状态下的电流-电压特性。然后利用MOS器件亚阈区二阶温度特性设计了CTAT电压源,和具有恒定正温度系数的电压源。最后,基于亚阈区MOSFET二阶温度特性和电流镜技术,设计出了一个结构新颖的低压低功耗高精度电压基准源电路。对本次设计的整体电路以及每个子模块进行了理论分析和公式推导,在55nm工艺下,通过Hspice软件对电路进行仿真调试,得到了具有二阶温度补偿的基准输出电压。仿真结果显示,在1.2V电源电压下,基准在标准工艺角下输出272mV的电压;输出电压具有二阶温度补偿特性,温度系数为5.9ppm/℃,在各个工艺角下温度系数优于13ppm/℃;工作电流为8.68uA,功耗为10.4uW;蒙特卡洛仿真显示,偏差因子为1.1%。


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