低压高精度带隙基准电路的研究与设计

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基准电压源广泛应用于各种模拟与混合电路如ADC和DAC中,其性能直接影响整个系统的精度和稳定性。目前,CMOS工艺以其功耗低、集成密度高等优点,已经成为了主流工艺。而随着手提便携式产品的迅速发展,低压低功耗已成为了当前集成电路发展的重要研究方向。基于这样的背景,本文以低压高精度CMOS带隙基准作为研究对象。 本文首先在分析带隙基准电路的基本构成原理的基础上,分析和总结了带隙基准电路的研究现状和发展趋势。 传统带隙基准电路由于受运算放大器的输入共模电压的限制,难于工作在低电源电压,针对这一缺点,本文采用分压的方法降低电路的输入共模电压,设计了一种采用电流模式的低压带隙基准电路,基于上华(CSMC)0.6μm CMOS工艺的HSPICE仿真表明,电路可工作于1.4V~1.5V的低电压下,温度系数约为10ppm/℃,PSRR约为67dB。在此基础上,为进一步提高电路性能,本文分析了曲率补偿的原理,完成低压曲率补偿带隙基准的设计,并改进了电路的设计,仿真表明,该电路的最低工作电压为1.2V~1.3V,温度系数低于1ppm/℃,PSRR高达92dB,具有良好的温度特性和电压特性。 为了验证设计的正确性,本文采用华润上华(CSMC)0.6μtm CMOS工艺对所设计的电路进行版图设计和流片验证,然后对电路性能进行了细致的测量。测量表明,电路的最低工作电压为1.4V~1.5V,比传统带隙基准电路最低工作电压降低了0.3V~0.4V左右。温度系数为25ppm~80ppm/℃,PSRR为44~53dB,在不做微调(trimming)的前提下,达到了预期的设计指标。普遍测量的精度只有9%;若将精度控制在4%,则良率只有50~60%。通过对各种误差源进行测量分析,得出运放的随机失调是电路的最主要误差源。由此分析了失调的来源,并讨论了降低失调的各种解决方案,并在此基础上,进行了新一轮的版图流片,研究验证这些解决方案对电路性能的改进。 为最终消除失调,进一步提高精度,分别从时域和频域分析了斩波调制的原理,并设计了斩波稳定的低压带隙基准电路,仿真表明电路精度比不带斩波稳定的电路提高37倍。
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