论文部分内容阅读
随着物联网、5G通讯以及便携式产品的迅速发展,功耗高和电池续航能力不足的矛盾越来越突出。在一些超低功耗(ULP)应用,例如微型传感器、可穿戴式设备、射频收发器、可植入式医疗设备以及能量采集系统,在待机或工作状态下要求纳瓦级,甚至皮瓦级的功耗。而电压基准源是构成这些电路或系统最基本的模块之一,因此设计成本低、面积小、性能高的超低功耗电压基准源具有重要意义。本文从物理结构入手分析了亚阈值区MOS管的导电原理,讨论了亚阈值MOS管设计电压基准源的可行性。对目前典型的亚阈值电压基准源电路分析得出,纳瓦级电压基准源通常采用单独的偏置电流产生电路导致额外的功耗;皮瓦级电压基准源通常使用特殊工艺器件,或利用MOS管的泄露电流,导致性能差、成本高、不易兼容。出于对以上不足的考虑,本文基于2T-CVR自偏置电路结构,设计了一款新颖的皮瓦级自偏置CMOS电压基准源电路。对于设计的电压基准源。首先从公式上推导分析电压基准源的温度补偿原理、线性调整性能和电源抑制性能。接着采用标准CMOS工艺对电压基准源电路性能进行了仿真计算。仿真结果显示,温度系数为36.8ppm/℃,线性调整率为1.289%/V,低频电源抑制比为-50d B,功耗为273.36p W。该电压基准源不仅结构简单、面积小、性能高,而且使用标准的CMOS工艺就能集成,只有皮瓦级的功耗。对于改善基准电路性能。在设计的电压基准源基础上,增加了启动电路、单级运放电路和修调电路。启动电路可以消除简并偏置点的同时缩减基准电压的建立时间。运放结构可以钳位电压,提高线性调整性能和电源抑制性能。修调电路可以进一步补偿由工艺变化和失配导致的基准电压温度系数的变化。仿真结果表明,虽然增加的辅助电路导致功耗增加了110.54p W,但是温度系数改善为21.3ppm/℃,线性调整率改善为0.0145%/V、低频电源抑制比改善为-69.3d B。本文电压基准源在0.18μm 1.8/5V标准CMOS工艺下进行流片,采用COB的形式进行封装。如果不计算Pad,整个Die的面积仅为0.0094mm~2。相比目前高水平国际期刊中为数不多的皮瓦级电压基准源,本文电压基准源各性能指标都达到了较高水平。