摘 要

随着信息技术的进步以及系统集成的发展潮流，基准参考源是很普遍使用的一个模块，分为两个模块，分别是电压方面和电流方面，尤其是在模拟电路中更加常见。本文在研究基准电压源的基本原理的基础上，设计了一种在输入是一个宽范围的电源的情况下，能够输出多个稳定直流电压的带隙基准电压源电路。

本文首先介绍基准电压源的研究背景及发展现状以及本文的研究思路。接下来是CMOS器件的工艺和模型，对CMOS进行的大信号和小信号模型分析。介绍各种类型的基准稳压电源的并进行性能比较，挑选出符合设计要求的最佳设计方案。传统的基准稳压源输出1.2V左右的稳定电压，亚阈值CMOS设计的基准稳压源具有更优化的特点，作为选用和设计思路，在此基础上分别设计出启动电路模块使其启动时间不多于150us，偏置电路，输出参考电压的模块，然后把参考电压接入到多输出电路中完成输出两个电压的设计，计算各个器件的参数，在电路中进行设置。最后对总电路进行仿真，针对低功耗、温度系数、电源抑制比、纹波峰峰值对电路进行调整。使得基准源的性能更加优化。

关键词：带隙；CMOS；低功耗；亚阈值；多输出

Abstract

With the development of the integrated technology, the benchmark reference source has become a module commonly used in analog integrated circuit, including the reference voltage module and reference current module. The bandgap reference voltage source circuit which can output multiple steady dc voltage under the condition that the input is a wide range of power supply is presented on this paper on the basis of studing the reference voltage source.

This paper introduced the background of the research and developmental status of the reference voltage source, and its research ideas firstly. After that, there was an introdution to the process and models of CMOS devices and an analysis of large signal and small signal models to CMOS. the paper introduced various types of benchmark stabilized voltage source and compared their performance on the basis of that traditional benchmark voltage source output stable voltage around 1.2 V, then selected the best core circuit which could meet the design requirements. Nextly, designing a starting circuit module made that its starting time was not more than 150 us, designing a bias circuit and partial pressure of the network could output multiple voltage. Finally, there was a simulation to the whole design of the circuit, an adjustment to the circuit in allusion to low power consumption, temperature coefficient, power supply rejection ratio. The final result could meet the requirements of indicators and the simulation results were ideal.

Key Words： Band Gap; CMOS; Low Power Consumption; The Threshold Value; Multiple Output

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 基准源的发展概述及现状分析 2

1.3 本文主要工作及内容安排 3

第2章 CMOS的工艺与模型 5

2.1 CMOS工艺 5

2.1.1 有源器件 5

2.1.2 无源器件 6

2.2 CMOS器件模型 7

2.2.1 大信号模型 7

2.2.2 小信号模型 10

2.3 本章小结 11

第3章 基准电压源的理论基础 12

3.1 基准电压源的主要性能指标 12

3.2 基准电压源的分类及性能比较 13

3.2.1 齐纳二极管基准稳压源 13

3.2.2 带隙基准电压源 14

3.2.3 亚阈值MOS基准电压源 15

3.3 带隙基准电压源的原理 15

3.3.1 与温度无关的基准 15

3.3.2 与电源无关的偏置 17

3.4 亚阈值区的基准源的原理 19

3.5 多电压输出原理 22

3.6 本章小结 22

第4章 带隙基准电压源的设计及仿真 23

4.1 亚阈值MOS基准电路设计 23

4.1.1 启动电路设计 23

4.1.2 PTAT电流电路设计 25

4.1.3 基准电压产生电路设计 26

4.2 多电压输出部分电路设计 27

4.2.1 偏置电路设计 29

4.2.2 运算放大电路设计 30

4.3 带隙基准稳压源的仿真分析 30

4.3.1 基准输出仿真结果分析 30

4.3.2 启动时间仿真结果分析 31

4.3.3 温度系数仿真结果分析 31

4.3.4 电源抑制比仿真结果分析 32

4.3.5 纹波峰峰值仿真结果分析 32

4.4 本章小结 32

第5章 总结 34

参考文献 36

致 谢 37

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

CMOS工艺技术的迅猛发展，使其在集成电路制造中的地位越来越重要。信息技术革命后，世界的经济朝着迅猛的姿势快速前进，信息的传递方式也向着高科技的方向发展，一个国家如果其掌握着高端科技，一般它的经济实力非常雄厚，所以评估一个国家的经济水平会很大的参考信息水平^[1]。科技成果从国家深入到民众，从军事到了商业，从庞然大物到细小芯片，信息技术也是以迅猛的姿势发展，在我们生活中各种各样的电子信息产品和消费类电子产品已经屡见不鲜，而且人们对于电子产品能够轻便、易携带需求越来越高，希望它们能够有更多的新型功能，能够体积更加小，更长的工作时间。这个时候工艺制造技术就凸显了重要的作用，目前CMOS工艺技术已经深入到深亚微米时代^[2]，通过应用新型的集成电路设计技术，使得MOS器件小而精，实现集成电路的高集成度、低电压、低功耗的性能^[4]。CMOS模拟集成电路的制造工艺及应用越来越受到人们的关注。

基准参考源的特点是不受电源电压、温度、噪声、负载的变化而有所变动，能够为系统的一些模块给予持续不变、高精确的电压基准或着电流基准^[2]。基准参考源越来越成为集成电路中的一个不可或缺的部分，作为一个基准的存在，在各种各样的系统中普遍存在，尤其是在模拟电路、数字电路、模数混合电路中就是必不可少的。例如，一个系统内部存在基准稳压源，它的作用就是给各个部分器件提供电压，这个稳压源的性能就决定了各个模块能否稳定工作，这个系统的温漂系数，从而决定其是否可以实现其本来预设的功能，能否投入生产带来效益。信息技术的飞速发展使得人们脱离了书信交流的慢时代，智能手机、计算机、工业的发展都得益于信号处理。