高精度低漂移集成电压源研究

论文摘要

基准电压源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片（SOC）中,是集成电路中一个重要的单元模块,也是各种传感器,A/D,D/A转换器以及通信电路中的基本元件。它的温度稳定性和电源电压抑制比是影响整个系统精度和性能的关键性因素。因此,设计具有高温度稳定性和很好的电源电压抑制比的基准电压源具有十分重要的现实意义。基于基准电压源的重要性,本论文研究并设计实现了一种具有高稳定性的带隙基准电路。本文在分析比较各种基准电压源性能的前提下,最终选择了以基于PTAT（与绝对温度成正比）改进的带隙基准源电路作为设计的基础,并对其原理进行了详细的分析。为了进一步提高基准电压源的性能,在深入研究温度和电源电压的变化对带隙基准电路稳定性影响的基础上,指出基极一发射极电压与温度的非线性关系是造成基准不稳定的主要原因,针对这种情况,采用了环路补偿方法来进行高阶温度补偿:利用环路补偿电流(INL)的非线性特性去补偿基射结电压(VBE)的非线性。并且将补偿电流(INL)和与绝对温度成正比的电流（IPTAT）直接相加实现了很好的补偿。不仅结构简单还获得了较好的温度系数。输出端采用了一种可编程结构来实现多种输出电压,来满足不同基准电压的要求。另外,对所采用的运算放大器、启动电路和温度保护电路也进行了研究,并设计了优化合理的电路结构。该电路采用SMIC 0.18μm标准CMOS工艺实现,并用Spectre进行了仿真,结果表明,在常温27℃下,当电源电压为3.3V,温度范围为-40～125℃时,该电路的温度系数仅为3.64ppm/℃,并在3-10V的电源电压范围内,具有9.5318μV/V的电源电压调整率以及高达-101dB的交流PSRR和低噪声特性。该电路可广泛适用于高精度要求的场合,对控制端A2,A1A0进行编程输出了八种不同的值,满足了不同基准电压的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及趋势
• 1.3 基准电压源的概述
• 1.4 本章小结
• 第二章 带隙基准电压源的基本原理
• 2.1 基准电压源的主要性能指标
• 2.2 带隙基准电压源的基本原理
• 2.2.1 三种与电源电压无关的常用标准电压的温度特性
• BE'>2.2.1.1 晶体管基极—发射极电压V_BE
• BE之差△V_BE'>2.2.1.2 晶体管基极—发射极电压V_BE之差△V_BE
• 2.2.1.3 MOS管阈值电压Vth
• 2.3 带隙基准电压源的几种结构
• 2.3.1 Widlar带隙基准电压源
• 2.3.2 Brokaw带隙基准电压源
• 2.3.3 传统典型的带隙基准电压源
• 2.3.4 基于PTAT改进的带隙基准
• 2.4 带隙基准电压源的曲率校正方法
• 2.4.1 线形补偿
• 2.4.2 高阶补偿
• 第三章 高性能带隙基准电压源的电路设计
• 3.1 设计指标
• 3.2 设计思路
• 3.3 基准电压源整体框图
• 3.4 子电路的设计
• 3.4.1 基准核心产生电路
• 3.4.2 曲率补偿电路
• 3.4.3 运算放大器的设计
• 3.4.3.1 运放的启动和偏置电路
• 3.4.3.2 运放的基本参数计算
• 3.4.3.3 运放失调电压分析
• 3.4.3.4 运放的电源电压抑制比有限
• 3.4.3.5 电流镜失配引进的误差
• 3.4.3.6 PNP管的β和欧姆电阻的影响
• 3.4.3.7 增大稳定性
• 3.4.3.8 运放参数仿真
• 3.4.4 输出缓冲及乘2电路
• 3.4.5 输出控制电路
• 3.4.5.1 译码器
• 3.4.5.2 3-8线译码器
• 3.4.6 启动电路
• 3.4.7 过温保护电路
• 3.4.7.1 设计过温保护电路的原因
• 3.4.7.2 过温保护具体电路及工作原理
• 3.4.7.3 温度保护模块仿真
• 第四章 版图设计
• 4.1 匹配性设计
• 4.2 其他考虑
• 4.3 版图设计工具简介
• 4.3.1 版图编辑工具Layout Editor
• 4.3.2 实时验证工具Dracula（Diva）
• 4.4 基准电压源的版图设计
• 4.4.1 纵向PNP晶体管版图
• 4.4.2 电阻电容的版图
• 4.4.2.1 电阻电容参数表
• 4.4.2.2 电阻电容的版图
• 4.4.3 运放版图
• 4.4.4 基准电路的总体版图
• 4.5 基准电压源的版图验证
• 4.5.1 DRC验证
• 4.5.2 版图提取与LVS验证
• 第五章 仿真结果及分析
• 5.1 仿真工具介绍
• 5.1.1 电源抑制频率特性
• 5.1.1.1 缓冲端的前仿后仿电源抑制比
• 5.1.1.2 乘2端的前仿后仿电源抑制比
• 5.1.1.3 可编程输出的前仿后仿电源抑制比
• 5.1.2 温度特性
• 5.1.2.1 缓冲端的温度特性
• 5.1.2.2 乘2端的温度特性
• 5.1.2.3 可编程部分的输出温度系数
• 5.1.3 PTAT电流随温度变化的曲线
• 5.1.4 补偿电流的前后仿曲线
• 5.1.5 电源电压稳定性
• 5.1.5.1 缓冲端的电源调整率
• 5.1.5.2 乘2端的电源电压调整率
• 5.1.6 负载电流稳定性
• 5.1.6.1 缓冲端负载电流稳定性
• 5.1.6.2 乘2端负载电流稳定性
• 5.1.7 噪声特性
• 结论
• 6.1 本文小结
• 6.2 本文完成的工作
• 6.3 进一步研究的内容
• 致谢
• 参考文献
• 附录