低压低噪声高性能基准的设计与实现

论文摘要

目前随着便携式电子系统的普遍应用,对模数转换器的功耗、速度和精度提出了更高的要求。电压基准源作为其中的关键模块之一,不仅要为ADC（模数转换器）提供精确的偏置电压,而且还为其提供比较电平,其性能将直接影响到系统指标。因此开发出满足系统要求的基准源成为当务之急。采用CMOS工艺设计出适合于低压、高速和高精度流水线ADC中应用的基准电压源是本文的主要研究目的。本文基于带隙基准源的各项指标和基本原理,分析了低电源电压带隙基准源的限制因素和各种实现方法;分析了各种高阶温度补偿。通过分析比较各种带隙基准源的优劣,得到适合ADC系统要求的带隙基准源的设计方法。利用前面得到的设计方法,设计出低压高阶温度补偿带隙基准电压源及其启动电路和核心运放,并采用共源共栅结构提高电源电压抑制比。使用SMIC 0.18μm的工艺库,在Cadence仿真环境下,对四种工艺角进行仿真。结果表明在TT模型下,-40到125℃温度范围内,带隙基准电压源温度系数为3.26ppm/℃;室温25℃下,电源电压抑制比为-71dB,启动时间为61ns;在1.5-2.1V电源电压波动范围内电源电压调整率为0.43mV/V。基于ADC系统要求,对设计的带隙基准电压源进行数学统计分析和建模。使用Matlab仿真,得到各个参数的工艺误差对输出结果的影响。这对带隙基准电压源的流片具有指导意义。对差分基准中的缓冲器进行了建模,并对接电阻和开关电容混合负载的直流缓冲器进行了重点分析,得出了ADC系统速度和精度与缓冲器单位增益带宽和跨导的关系。考虑到差分基准源要抑制后面的开关电容和输出端高频噪声的影响,提出了一种新型的差分基准源。仿真结果表明,该结构不仅温度系数低,而且能够很好地抑制高频噪声。最后采用SMIC 0.18μm一层多晶硅、六层金属的CMOS工艺,使用Cadence软件完成了对所开发电路单元的版图设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外发展现状与趋势
• 1.2 研究的意义
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 带隙基准电压源的分类及原理
• 2.1 基准源的主要指标
• 2.2 带隙基准电压源的实现方法
• BE'>2.2.1 负温度系数电压V_BE
• 2.2.2 正温度系数电压
• 2.2.3 带隙基准电压源
• 2.3 限制低压的因素和解决方法
• 2.4 高阶补偿方法
• 第三章 基准电压源的设计
• 3.1 低压带隙基准源的设计
• 3.1.1 低压带隙基准源的设计
• 3.1.2 运放的设计
• 3.2 提高PSRR的措施
• 3.3 曲率温度补偿的设计
• 3.4 启动电路的设计
• 3.5 仿真与结果分析
• 第四章 低压基准源的误差分析
• 4.1 基准源产生误差的因素
• 4.1.1 BJT之间的失配
• 4.1.2 BJT的工艺偏差
• 4.1.3 电阻间的失配
• 4.1.4 运放的失调电压造成的误差
• 4.1.5 电流镜失配造成的误差
• 4.2 低压基准电压源的数学统计模型
• 4.3 仿真结果与分析
• 第五章 差分基准源的设计
• 5.1 差分基准源设计
• 5.2 输出缓冲器的设计
• 5.2.1 单位增益缓冲器带负载能力
• 5.2.2 Matlab仿真与结果分析
• 5.3 差分基准源的整体电路
• 5.4 仿真结果与分析
• 第六章 版图设计
• 6.1 版图的一般设计规则
• 6.2 版图设计工具简介
• 6.2.1 版图编辑工具Layout Editor
• 6.2.2 实时验证工具Diva（Dracula）
• 6.3 电路中元器件的版图设计
• 6.3.1 PNP管的设计
• 6.3.2 CMOS管的设计
• 6.3.3 电阻的设计
• 6.4 整体电路的版图
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果