柴吴尽 CMOS基准电流源

CMOS基准电流源设计摘要基准源是在电路系统中为其它功能模块提供高精度的电压基准，或由其转化为高精度电流基准，为其它功能模块提供精确、稳定的偏置的电路。

它是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块。

基准源输出的基准信号稳定，与电源电压、温度以及工艺的变化无关。

带隙基准源是集成电路中的重要单元，输出不随温度、电源电压变化的基准电压或电流。

简单介绍了CMOS带隙基准源的基本工作原理；指出了限制其性能的主要因素；分析了低电源电压、低功耗、高精度和高PSRR四种类型的CMOS带隙基准源。

一款是应用于DAC的带隙基准电路。

该基准电路的核心采用了PNP 晶体管串联来减小运放失调，运放采用的是具有高输入摆幅的折叠式共源共栅结构，偏置电路采用了低压共源共栅电流镜和自偏置低压共源共栅电流镜等结构来为整个基准电路提供偏置。

本文基于SMIC 0.35μm工艺模型库，采用Hspice仿真工具对该基准电路进行仿真，仿真结果为：温度扫描从-40℃到100℃ ,基准源的温度系数为15.7ppm/℃；电源抑制比在1kHz时为75dB, 10kHz时仍有58dB。

仿真结果表明，该基准电路完全能在DAC 系统中正常工作。

关键词CMOS基准电流源；低功耗；温度系数Research of CMOS Bangap Reference SourceAbstractA voltage reference source provides high-precision voltage reference for other functional modules in the circuit system, or high-precision current reference can transformed from it. It is a very important module in the analog integrated circuits and mixed-signal integrated circuits design. The output signal of the voltage reference is stable,and it is independent of supply voltage, temperature and process.Bandgap reference source is an important unit in integrated circuits, which supplied reference voltage or current independent of temperature and supply voltage. The principle of CMOS bandgap reference source was described, and the design challenge was pointed out. Finally, CMOS bandgap reference sources with low supply voltage, low power, high precision and high PSRR were analyzed, respectively.The bandgap reference is used in the DAC. The core of the reference circuit used PNP transistors in series to reduce amplifier offset, and the amplifier used the folded cascode structure to get high input swing, and the bias circuit used the low-voltage cascode current mirror structure and the self-biased low-voltage cascode current mirror structure to bias the entire reference circuit. In the thesis, we simulated the reference circuit by using the Hspice simulation tool based on the SMIC 0.35μm process. The simulation results are that the temperature coefficient of the references is 15.7 ppm/℃when temperature scaned from -40℃to 100℃,and the power supply rejection ratio is 75 dB at 1kHz and there is still 58 dB at 10 kHz. The simulation results showed that the referencecircuit can work normally in the DAC system.Keywords CMOS current reference; Low power; Temperature coefficient目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (6)1.1 基准的几种主要类型 (6)1.2 本文的研究背景和选题意义 (7)1.3 主要研究内容 (8)1.4 本章小结 (8)第2章CMOS带隙基准源研究现状 (9)2.1 CMOS带隙基准源基本原理 (9)2.2 改进的CMOS带隙基准源 (11)2.2.1 低电源电压CMOS带隙基准源电路 (11)2.2.2 低功耗带隙基准源电路 (16)2.2.3 高精度带隙基准源 (18)2.3 本章小结 (21)第3章两种典型CMOS基准电流源对比 (22)3.1 一种低电压高精度CMOS基准电流源 (22)3.1.1 电路描述 (23)3.1.2 仿真结果 (25)3.2 一种低温漂低电源电压调整率CMOS基准电流源 (26)3.2.1 新型基准电流源理论与方案 (26)3.2.2 仿真验证及结果分析 (31)3.3 本章小结 (32)第4章一种应用于DAC中的带隙基准源的设计 (34)4.1 DAC模数转换器的原理 (34)4.2 带隙基准电路设计指标 (37)4.3 带隙基准电路设计 (37)4.3.1 带隙基准主体电路设计 (37)4.3.2 启动电路设计及基准稳定性考虑 (38)4.3.3 运算放大器的设计 (40)4.3.4 偏置电路设计 (42)4.4 仿真结果 (44)4.5 版图设计 (46)4.5.1 设计规则 (46)4.5.2 版图设计需要考虑的因素 (47)4.6 本章小结 (48)结论 (49)致谢 (50)参考文献 (51)附录 (52)第1章绪论基准电路包括基准电压源和基准电流源，它在电路中提供电压基准和电流基准。

它具有稳定性好，对系统的操作环境（如电源电压、工作温度、输出负载）变化不敏感的特点，可以为其他电路模块提供较为精准的参考点，因此它是模拟集成电路和数模混合电路的不可缺少的基本单元电路[1]。

基准电压源在电路系统中为其他功能模块提供高精度的电压基准，或由其转化为高精度电流基准。

对模拟电路系统而言，基准电压源的性能将直接影响到整个系统的精度和性能，基准的任何偏差和噪声都会严重的影响其它电路的线性和精度。

因此，系统的精准度在很大程度上依赖于内部或外部基准的精度，没有一个满足要求的基准电路，就不能正确有效地实现系统预先设定的性能。

因此，如何提高基准源的性能和集成度一直是该领域人们研究的热点。

1.1基准的几种主要类型迄今为止，市面上推出的基准电流源根据其技术工艺不同大致可分为四种类型：齐纳基准、掩埋齐纳基准、XFET基准和带隙基准[2][3]。

齐纳基准在这里指的是表层齐纳基准。

齐纳二级管被反向击穿时（齐纳击穿或隧道击穿）两端的电压具有正温度系数，而正向硅二极管具有负温度系数，在一个反向齐纳二级管上串联一只正向二极管可以获得理论上的零温度系数，这就是齐纳基准的工作原理。

它的优点是成本低，封装小，工作电压范围宽。

它的缺点是功耗大，初始精度低，温度系数差，输入电压调整率不好，使用时需根据供电电压和负载电流串接一个电阻为其提供恒定电流，以便保持输出电压稳定。

齐纳基准通常用于要求不高的场合，或用作电压钳位器。

掩埋型齐纳二极管是一种比常规齐纳二极管更稳定的特殊齐纳二极管，这是因为它采用了将击穿区植入硅表面以下的结构。

掩埋齐纳基准则是由掩埋型齐纳二极管构成的基准。

它具有很高的初始精度，好的温度系数和长期漂移稳定性，噪声电压低，总体性能优于其它类型的基准，故常用于12位或更高分辨率的系统中。

掩埋齐纳基准通常要求至少5V以上的供电电压，并要消耗几百微安的电流，功耗比较大，并且价格比较昂贵。

XFET（eXtra implantation junction Field Effect Transistor -XFET）基准是一种新型的电压基准，其核心是利用JFET（Junction Field Effect Transistor）设计的，利用一对具有不同夹断电压JFET，将其差分输出电压放大以产生一个稳定的基准电压。

由于两个JFET中的一个JFET在制造时外加了一步离子注入工艺，所以称为外加离子注入结型场效应管（eXtra implantation junction Field Effect Transistor）基准电压源，简称XFET基准电压源。

XFET基准静态电流很低，可用于3V电压系统，并且仍能保持良好的性能。

它有三项显著的特点：其一是在相同的工作电流条件下，它的峰一峰值噪声电压通常比带隙基准低数倍；其二是XFET基准静态电流很低，但可以为负载提供的输出电流不是很低，并且输出端不需要加去祸电容；其三是XFET基准具有极好的长期漂移稳定性。

XFET基准的性能水平界于带隙和齐纳基准之间，其缺点是需要特殊工艺来实现，成本较高。

带隙基准电压源包括双极型带隙基准源和CMOS带隙基准源，工艺条件宽。

带隙基准电压源的性能较其他基准有了很大的飞跃。

带隙基准输出电压受温度和电源电压影响小，并且其精度高。

基准的初始精度、温度系数、长期漂移、噪声电压等性能指标从低到高覆盖面较宽，适用于多种不同精度要求的系统中。

该类基准既有为通常目的设计的类型，也有静态电流小至几十微安，输入输出电压差较低而适用于电池供电场合的产品，因而应用范围很宽。