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摘 要

带隙基准源是模拟和混合集成电路中的一个重要组成部分。随着集成电路不断发展，器件的尺寸不断缩小，电源电压不断降低，传统的带隙基准源结构已经无法适应新的集成电路需求。正因如此低压低功耗带隙基准源电路成为研究的主要方向，低温度系数、低耗、低输出电压以及低电源抑制比、低噪声系数成为带隙基准源电路研究的新指标要求。在了解这一研究趋势后，本文设计了一种基于TSMC 40nm CMOS工艺的低耗带隙基准源电路。

本文首先讲述了带隙基准源电路的发展历史与研究现状，随后介绍了工艺的选择过程和设计软件Cadence，接着介绍了带隙基准源电路的理论基础，最后讲述了设计过程和仿真结果，并对仿真结果进行了分析。本次设计通过在已有成熟结构的基础上，参照预设指标对已有结构进行选择与改进，并针对40nm CMOS工艺器件进行器件参数分析，最后通过仿真调试确定最终结构以及内部器件参数。在对原理图进行仿真后，仿真结果显示，当带隙基准源电路处于1.8V电源电压下，在-40℃-120℃温度范围内，基准源输出电压为893.9mV，在tt工艺角下，温度系数约为45ppm/℃，功耗约为64.306μA@1.8V左右。仿真结果表明，设计带隙基准源电路基本符合预设指标要求，具备较为良好的性能。

关键词：带隙基准，低功耗，温度系数

Abstract

In this paper, a low power bandgap reference source is designed. Bandgap reference source is an important part of analog circuit and hybrid integrated circuit. With the development of the integrated circuits, the size of components is increasing and the power voltage is decreasing. The traditional bandgap reference source can not adapt to the new integrated circuits. As a result, low voltage and low power source become a main direction of research of bandgap reference circuit. Low temperature coefficient, low output voltage, and low power become new indexes in bandgap reference source. After understanding this research trend, a low power bandgap reference circuit based on TSMC 40nm CMOS process is designed.

This article starts with the history and research of the bandgap, and then introduces the technology and the designing software. Then it introduces the theory of the bandgap reference source. Finally it introduces the designing process and the results. The circuit which is designed can apply 893.9mV. It can work with the 1.8V power supply voltage. Its power is 64.306μA@1.8V, and the temperature coefficient is 45ppm/℃.

KEY WORDS: bandgap reference low power temperature coefficient

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 带隙基准源的背景和研究现状 1

1.2 项目设计的意义 2

1.3 本次设计主要工作 2

第二章 CMOS工艺兼容性和设计软件Cadence 4

2.1 40nmCMOS工艺的兼容性 4

2.2 设计软件Cadence 4

第三章 带隙基准源理论基础 6

3.1 带隙基准源的基本理论 6

3.2 带隙基准源的设计指标 7

3.3 传统低压带隙基准源结构 8

3.4 带隙基准源的高阶补偿方法 11

第四章 带隙基准源设计流程 13

4.1 带隙基准源电路框架 13

4.2 带隙基准源核心电路设计 13

4.2.1 运算放大器设计 13

4.2.2 核心电路结构和器件参数的确定 16

4.3 启动电路的设计 20

第五章 带隙基准源仿真与改正 22

5.1 带隙基准源电路仿真 22

5.1.1 运算放大器仿真 22

5.1.2 带隙基准源电路仿真 23

5.2 电路改进方法 27

第六章 总结与展望 30

致谢 31

参考文献 32

绪论

1.1 带隙基准源的背景和研究现状

集成电路主要分为三大部分：数字电路、模拟电路和混合信号电路。其中在模拟电路和混合信号电路中，为使电路不受温度变化干扰，带隙基准源成为电路内不可缺少的一部分，甚至在一部分锁相环电路中，带隙基准源电路仍有着重要作用^[1]。最传统的带隙基准是利用一个与温度成正比的电压与一个与温度成反比的电压的和，二者温度系数抵消，实现输出电压与温度无关。

1972年，首次提出了带隙基准源的结构^[2]，它的核心电路正是利用一个具有正温度系数的电压和一个具有负温度系数的电压，将二者进行适当搭配，在一定条件下，得到具有零温度系数的电压输出。其与齐纳二极管等器件相比，具有更低、更稳定的输出电压。

1973年和1974年，分别有学者提出了带隙基准源电路的改进方案^[3]，在新的结构中使用运算放大器来提高带隙基准源电路的性能并使结构得到进一步优化，由此奠定了带隙基准源结构的基础。但随着集成电路的发展，电路尺寸的逐渐降低以及电源电压、功耗的降低，传统的三种带隙基准源结构不再满足发展的需求，低压低耗带隙基准源电路结构相继被提出，结构也在不断改进。现阶段带隙基准源电路主要有以下研究方向：

（1）低温度系数

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