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工学硕士学位论文基于65纳米CMOS工艺基准电压电流源的设计徐映嵩哈尔滨理工大学2015年3月国内图书分类号：TN432工学硕士学位论文基于65纳米CMOS工艺基准电压电流源的设计硕士研究生：徐映嵩导师：金星殷景华申请学位级别：工学硕士学科、专业：集成电路工程所在单位：应用科学学院答辩日期：2015年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学Classified Index：TN432Dissertation for the Professional MasterDesign of a Voltage and Current Reference Source Based on 65nm CMOSProcessCandidate：Xu yingsongSupervisor：Jin xing Yin jinghuaAcademic Degree Applied for：Speciality：Master of Engineering Integrated circuit engineeringDate of Oral Examination：University：March , 2015Harbin University of Science and Technology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于65纳米C M OS 工艺基准电压电流源的设计》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。

对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

本声明的法律结果将完全由本人承担。

作者签名：徐映嵩日期：2015年3月28日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《基于65纳米C M OS工艺基准电压电流源的设计》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。

本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。

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不保密。

（请在以上相应方框内打√）作者签名：徐映嵩导师签名：殷景华日期：2015年3月28日日期：2015年3月30日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文基于65纳米CMOS 工艺基准电压电流源的设计 摘 要 基准电压电流源具有温度和工艺影响小、电源抑制比高等特点，广泛应用 于 A DC （模数转换器）、DAC （数模转换器）、LNA （低噪声放大器）、VCO （电 压控振荡器）等电源稳恒要求高的模块中。

65纳米线宽工艺具有集成度高、单 位面积成本低、发热量小、功耗低的特点。

CMOS 工艺是现代主流集成电路制 造工艺，并且已有的 B I -CMOS 已经完全兼容双极型工艺，并且 C M OS 工艺兼 容数字和模拟，可以降低设计难度和生产制造成本。

本文基于 65纳米CMOS 工艺，研究基本 C MOS 基准电压电流源设计。

本文为雷达 S OC 系统模块设计电源基准的电压电流源模块，包含三个子模 块：带隙基准模块、低压线性稳压器模块和基准偏置电流产生模块。

基于各模 块基本原理和 65纳米 C MOS 工艺，对各子电路进行晶体管级设计。

采用二阶 曲率补偿、电阻修调阵列技术，设计带隙基准模块，优化温度系数。

采用折叠 共源共栅结构和自偏置二级级联结构，设计误差放大器，提高运放增益和电源 抑制比；采用基本 L D O 稳压器模块，设计低压线性稳压器模块，利用低频通过 机构，优化噪声，降低中频噪声。

采用电阻修调阵列技术设计偏置电流模块， 优化温度系数；利用类 L D O 低压线性稳压器结构，为其他模块提供稳恒 10uA 电流。

本文通过仿真软件 C a dence 对 C o rner 进行前期仿真，并通过 Ocean 脚本对 Corner 进行后期仿真。

仿真结果表明，在极端温度和极端外部电压下，带隙基 准模块最差工艺角运放增益为 58dB ，最佳运放增益为 95dB ；带隙基准模块输 出电压为 1.2V ，最差温度系数为 21.37 /℃，最佳温度系数为 17.86 /℃。

运放电源抑制比均高于 70dB 。

偏置电流模块运放最佳增益为 96dB ，最差增益 为 60dB ，保证各种条件下增益裕度大于 20，相位裕度大于 45；偏置电流温度 系数保证在 35 /℃左右；低压线性稳压器模块 100KHz 频率点噪声均低于 )，1MHz 频率点噪声均低于 8.865 )；最大环路增 益 102dB ，最小环路增益 71dB 。

1M 电源抑制比均高于 60dB 。

11.3 / ( / ( 本文设计基准电压电流源仿真结果满足现代主流技术对基准电压电流源的 要求。

关键词：基准电压电流源；带隙基准；低压线性稳压器；修调；65纳米工艺 I哈尔滨理工大学工学硕士学位论文A Design of Voltage and Current Reference SourceBased on 65nm CMOS ProcessAbstractThe voltage and current reference source module has lots of distinguishing feature such as do not change with temperature and process corner, even high PSR,and widely used in lots of module which require voltage and current to be stability such as ADC(Analog-to-Digital Converter)、DAC(Digital-to-Analog Converter)、LNA(Low Noise Amplifier)、VCO(Voltage Controlled Oscillator). 65-nanometerline-width technology has a lot characteristics such as high level of integration、low cost、low calorific value per unit area、low power consumption per unit area. CMOS technology is the modern mainstream integrated circuit manufacturing technology,and existing BI - CMOS is fully compatible with bipolar process, and compatible with digital and analog CMOS process, can reduce the design difficulty and manufacturing cost. This paper based on the 65 nm CMOS process, through the study of the basic CMOS voltage and current reference source, optimized and improved on basic CMOS reference source from the mainstream view of today’s technology.This paper introduces a design of a voltage and current source reference module which provides reference for radar SOC system module, this reference module include three sub-modules, respectively named band-gap module、low dropout linear voltage regulator module and bias current module. Module’s sub circuits are designed in transistor level based on principle of each module under 65 nm COMS process. Hereinto, band-gap reference using two order curvature compensation、TRIM resistance array technology, make the temperature coefficient has been optimized greatly. Error amplifier adopted folded cascade structure and self-bias two level link structure, which makes the amplifier gain and power supply rejection greatly improved. Low dropout linear voltage regulator module uses the basic structure, the noise optimization using low pass mechanism, further optimization ofthe noise from the layout design, so that the medium frequency active noise reduced greatly. Bias current module use trim resistance array technology, so that theII哈尔滨理工大学工学硕士学位论文temperature coefficient greatly optimized, using the class LDO structure provides a 10uA constant current for other modules.Through Cadence simulation software to the corner for the preliminary simulation, and finish the corner’s later simulation by Ocean script. The simulation results show that op-amp’s gain of Band gap reference in the worst condition is 58dB, in the optimized condition it reach to 95dB. Output voltage of band-gap voltage is 1.2V, the temperature coefficient of the worst condition is 21.37ppm/℃, the temperature coefficient of the optimized condition is 17.86 ppm/℃. Op amp’s PSR in all corners are all overtop 70dB. The op-amp’s best loop gain is 96 dB, the worst loop gain is 60 dB, meanwhile ensure the various conditions of gain margin is more than 20, the phase margin is greater than 45. The offset current temperature coefficients guarantee around 35ppm/℃. Low dropout linear voltage regulator’s noise at 100k in any corners are all under 11.3 nV/sqrt(Hz), meanwhile noise at 1M in any corners are all under 8.865 nV/sqrt(Hz). Op-amp’s gain of low dropout linear voltage reference at the worst condition is 71dB, at the best optimized condition is 102dB. And the PSR of low dropout linear voltage reference module are all overtop 60dB in any corners.The above results are obtained to meet the requirements of modern mainstream technology for voltage and current reference source.Key words: voltage and current reference source, band-gap reference, low dropout linear voltage regulator, TRIM, 65-nanometerIII哈尔滨理工大学工学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.2研究现状 (2)1.2.1带隙基准源 (2)1.2.2低压线性稳压器 (3)1.3本课题研究意义 (5)1.4本课题主要研究内容 (5)第2章模块基本结构及原理 (6)2.1带隙基准模块 (6)2.1.1主要性能指标 (6)2.1.2基本结构及原理 (7)2.1.3误差分析 (11)2.1.4带隙基准相关 (12)2.2低压线性稳压器模块 (13)2.2.1主要性能指标 (13)2.2.2基本结构及原理 (15)2.2.3误差分析 (15)2.2.4噪声分析 (16)2.2.5修调 (16)2.3本章小结 (16)第3章基准电压电流源电路实现 (17)3.1带隙基准源的分析与设计 (17)3.1.1 PTAT电路分析与设计 (17)3.1.2基本带隙基准及稳定性分析 (18)3.1.3带隙基准启动电路设计与仿真 (20)3.1.4带隙基准核心运放分析与设计 (21)3.1.5带隙基准内部偏置电流源设计 (25)3.1.6修调机制分析与设计 (27)3.1.7带隙基准相关仿真 (32)3.2低压线性稳压器的分析与设计 (33)3.2.1低压差线性稳压器的环路稳定性分析 (34)3.2.2低压差线性稳压器噪声分析与优化 (37)3.2.3低压差线性稳压器电源抑制分析 (39)哈尔滨理工大学工学硕士学位论文3.3内部偏置电流源的分析与设计 (40)3.3.1偏置电流电路基本原理分析 (41)3.3.2偏置电流源稳定性分析 (43)3.3.3偏置电流源修调阵列 (44)3.3.4偏置电流源模块相关仿真 (45)3.4各芯片内部关联 (48)3.5本章小结 (49)第4章版图设计及仿真结果 (50)4.1引言 (50)4.2版图设计 (50)4.3各模块版图具体设计 (51)4.4后仿结果 (53)结论 (57)参考文献 (58)致谢 (62)哈尔滨理工大学工学硕士学位论文第1章绪论人们认识世界，也改造世界，随着人们认识和改造世界的不断深入，自然科学也不断的发展，微电子集成电路产业也从最初的几个器件的集成电路发展到如今动辄成百上千逻辑门的数字电路，其集成度之高是最初的人们所不可想象的。