一种改进的亚阈型CMOS基准电压源

论文摘要

随着现代科学技术的发展,社会对集成电路的需求量越来越大,从宇航飞船、汽车再到手机。可以说人们的生活越来越离不开这些半导体产品。也正是这些原因,人们对芯片的性能和种类有了越来越高的要求。基准源也是芯片中极其重要的电路单元,芯片中基准源的性能决定着芯片的性能。通过分析MOSFETs器件在亚阈区的工作特性,及分析G.Ciustolisi在文献[3]中提出的基准源结构。再结合带隙基准的原理提出一种改进的亚阈型CMOS基准电压源。这种基准源采用简单的CMOS结构,克服了双极性晶体管工艺复杂的缺点；采用PTAT偏置电路来提供正温度系数电压,简化了整体电路的结构。电路采用TSMC 0.18um CMOS工艺仿真,用HSPICE对电路进行仿真,结果显示：1.8V的电源电压和室温下,低频电源抑制比为-25dB,电源抑制比在频域内从1M以后开始降为0分贝。在[-40,100]0c的温度范围内,改进结构的基准输出电压的温度系数为36.5ppm/0C。室温时,输出电压为529mV。结果表明,电路性能良好。但是电源抑制比在低频域内较低,在较高频域内基本为零,这是需要改进的地方。亚阈型CMOS基准电压源普遍存在一个问题,就是电源抑制比在低频时不高（大约在-25dB）,在高频域内基本为零的缺点。我们提出了两种改进方法,第一种方法是在电源的输出端后面添加电压跟随器模块,用以实现提高PSRR在频域内的性能。第二种是在前端增加一个前置稳压模块,使次级电路工作在较为稳定的电压下,通过这种方法来实现提高PSRR的目的。我们采用TSMC 0.18um CMOS工艺对电路进行HSPICE仿真发现,增加电压跟随器模块的电路的温度系数没有明显变化。PSRR在较高频域内有明显提高（从0提高到大约-25dB）,而在低频域内没有明显改善。对于第二种改进方法仿真分析发现,在[-40,100]0c的温度范围内,基准源的温度系数约为43.5 ppm/℃,在室温下输出参考电压约为590.6mV。改进后的PSRR在低频域内约为-51dB（比前面两种结构提高了约-25dB）,这种结构在较高频域的PSRR也是比较理想的。只有频率在1M时PSRR约为最小值-9 dB。所以我们发现第二种方法在提高PSRR性能方面,效果明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究意义和价值
• 1.3 论文章节安排
• 第二章 带隙基准源原理及亚阈区MOSFETs的特性
• 2.1 基准电压源的几项主要性能指标
• 2.2 带隙基准源的基本原理和结构
• 2.3 工作在弱反型区MOS晶体管的理论基础
• 2.4 工作在弱反型区MOS晶体管的简单模型
• 第三章 亚阈型CMOS基准电压源的模型及改进
• GS'>3.1 与温度呈线性减小关系的V_GS
• 3.2 电路原理图和工作原理分析
• 3.3 提出修改模型的电路图和模块
• 3.4 两种结构的仿真和分析
• 第四章 高电源抑制比的基准电压源
• 4.1 带缓冲级模块的基准源
• 4.2 带前置稳压模块的基准源
• 第五章 版图设计
• 5.1 CADENCE VIRTUOSO版图设计工具简介
• 5.2 电路版图设计的方案以及注意事项
• 5.3 版图设计的具体步骤
• 5.3.1 电阻版图设计
• 5.3.2 MOS晶体管版图设计
• 5.4 最终的版图效果图
• 5.5 版图设计总结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文