一种高精度带隙基准电压源的研究与设计开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，由于集成电路的飞速发展，基准电压源在模拟集成电路、数模混合电路以及系统集成芯片(SOC)中都有着非常广泛的应用，对高新模拟电子技术的应用和发展也起着至关重要的作用，其精度和稳定性会直接影响整个系统的性能。

最经典的电压基准电路是利用一个具有正温度系数的电压与具有负温度系数的电压之和，二者温度系数相互抵消，实现与温度无关的电压基准，约为1.25V。因为其基准电压与硅的带隙电压差不多，因而称为带隙基准。模拟电路广泛的包含电压基准和电流基准。这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的。一般来说，带隙基准主要是用来提供电流基准以及电压基准的，它是集成电路的重要组成部分，它就是为了能够形成一个与工艺和电源无关，有着较低温度系数的电流或电压。因此，设计一个好的高精度基准源具有十分现实的意义。

2. 课题关键问题和重难点

课题的关键问题在于要实现基准电压源所需解决的是如何提高其温度抑制与电源抑制。

关键问题：

(1) 由于在现实中半导体几乎没有与温度无关的参数，因此需要找到一些具有正温度系数和负温度系数的参数，通过合适的组合，才能得到与温度无关的量。

3. 国内外研究现状（文献综述）

cmos带隙基准源由于其各方面的综合优势在集成电路中应用非常广泛为系统提供不随温度、电源电压变化的基准电压或电流。它在不同的应用环境需要满足低电源电压、高精度、低功耗、高psrr不同要求。因此研究不同性能的cmos带隙基准源是非常有意义的。^[1]

实际上基准电压源指在电路中用作电压基准且具备极高温度稳定性的电压源理想的基准电压源应不受电源和温度的影响在系统中能为其他电路提供稳定的电压。因基准源温度稳定性与噪声直接影响整个系统的精度而基准一词正说明基准电压源的数值应比一般电压源具备更高的精度和温度稳定性。^[2]

我的题目是要求设计一种高精度带隙基准电压源，我查阅了相关的网上资料。在集成电路中,有三种常用的基准源:掩埋齐纳基准源、xfet基准源和带隙基准源。由于soc系统的迅速发展,系统要求模拟集成模块能够兼容标准 cmos 工艺;又因为在soc系统上,数字集成模块的噪声容易通过电源和地耦合到模拟集成模块,这要求模拟集成模块的psrr非常高;同时,由于移动电子设备的逐渐增多,要求模拟集成电路的电源电压能够降至1 v左右,功耗在μw量级上。所以,尽管掩埋齐纳基准源和xfet 基准源的输出温度稳定性非常好,但是它们的制造流程都不能兼容标准 cmos工艺,并且掩埋齐纳基准源的输出电压一般大于5v。而带隙基准源具有以下优点:与标准cmos工艺完全兼容;可以工作于低电源电压下; 温度漂移、噪声和psrr等都能够满足大部分系统的要求。所以带隙基准源得到了广泛的研究与应用。但是传统的带隙基准电路存在很多问题,在温度系数,功耗,psrr等方面无法达到现今集成电路设计的要求。近几年针对这些问题,很多国内学者从温度系数,psrr,功耗,精度等方面对其进行了改进,取得了十分不错的进展。如今,带隙基准源在ad/da电源芯片、锁相环、高精度的电压表、电流表、欧姆表等领域有着很广泛的应用^[3]

4. 研究方案

模拟电路中广泛地包含电压基准和电流基准。在数/模转换器、模/数转换器等电路中, 基准电压的精度直接决定着这些电路的性能。这种基准应该与电源和工艺参数的关系很小, 但是与温度的关系是确定的。在大多数应用中,所要求的温度关系通常分为与绝对温度成正比和与温度无关。

高精度带隙基准设计主要使用cadence软件进行电路的设计仿真，以及版图的绘制。

设计通过下述步骤方案实现：

5. 工作计划

2022-2022-1学期：

第15-16周：完成选题，查阅相关中英文资料。

第17周：与导师沟通进行课题总体规划。