一种低压低功耗带隙基准电压源的分析与设计开题报告

 2022-10-17 09:45:35

1. 研究目的与意义

近年来,CMOS技术迅速发展,越来越多的集成电路采用CMOS工艺实现。便携式电子产品的迅速发展,如今几乎所有的便携电子设备均使用化学电池,然而化学电池可以提供的电源电压功率都十分有限。因此低压低功耗电子设备设计成为重点。现代集成电路特征尺寸越来越小,导致集成电路产品的工作电压越来越低,对其性能提出了更高的要求。基准电压源是A/D、D/A转换、线性稳压器和开关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片和通信电路等电路中不可缺少的部分,保证电源的稳定和精度。带隙基准源同时具有以下优点:与标准CMOS工艺完全兼容:可以工作于低电源电压下;温度漂移、噪声和PSRR等性能能够满足大部分系统的要求。这就使得片内集成的带隙基准电压源成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。

2. 课题关键问题和重难点

课题主要问题及难点:传统的带隙基准电路存在很多问题,在温度系数,功耗,PSRR等方面无法达到现今集成电路的设计要求。从技术角度来看,数字系统单片集成并不困难,难点在于模拟部分的单片集成。由于电源电压的持续下降,低压低功耗、低温度系数、高电源抑制比的带隙基准电压源设计变得十分关键,带隙基准电压源的精度直接决定A/D、D/A转换精度。模拟电路工作电压的降低不会使MOS管阈值电压等比例下降,这是低电压设计的难点之一。设计一种低压低功耗带隙基准电压源,采用一阶温度补偿和二阶温度补偿的方式,实现其高精度性能。随着片上系统(SOC)的飞速发展,系统要求模拟集成模块能够兼容CMOS工艺,在SOC上,数字集成模块的噪声容易通过电源和地耦合到模拟集成模块,使得集成模块的PSRR非常高。

3. 国内外研究现状(文献综述)

1.基准电压源概述

基准电路包括基准电压源和基准电流源,在电路中提供电压基准和电流基准,是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块。准电压源是A/D、D/A转换、线性稳压器和开关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片和通信电路等电路中不可缺少的部分,保证电源的稳定和精度。作为A/D、D/A转换器以及通信电路中的一个基本组件,基准源始终是集成电路中一个重要的单元模块。它的温度稳定性以及抗噪声能力是影响到电路精度和性能的关键因素。由于带隙基准电压、电流源电路的输出电压及电流几乎不受温度和电源电压变化的影响,这就使得片内集成的带隙基准电压、电流源电路成了模拟集成电路芯片中不可缺少的关键部件。

理想的基准电压源应不受电源和温度的影响,在电路中能够提供稳定的电压。一般情况下,可用电阻分压作为基准电压,但它只能作为放大器的偏置电压或提供放大器的工作电流。因为其自身缺乏稳压这一作用,所以输出电压的稳定性完全依赖于电源电压的稳定性。另外,也可用二极管的正向压降作为基准电压,使其输出电压稳定性不依赖于电源电压,但电压的稳定性不高,而且温度系数是负的,约为-2mV/℃。还可用硅稳压二极管(简称稳压管或齐纳管)的击穿电压作为基准电压,它可克服正向二极管作为基准电压的一些缺点,但其温度系数是正的,约为 2mV/℃。以上几种均不适用于对基准电压要求高的场合,因此高精度的基准电压源应运而生。

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4. 研究方案

传统带隙基准电压源通过正温度系数电压和负温度系数电压不同的权加得到。其中正温度系数电压由工作在不同密度电流下两个双极晶体管基射极电压差得到,负温度系数电压通过双极晶体管基射极电压实现的。

正温度系数为一定值,与参考温度无关。通过电路产生正温度系数的电压和负温度系数的电压,并使这两个电压加权后相加得到与温度无关的基准电压。当芯片集成度越来越高,供电电压越来越低。

加入启动电路,当偏置电路处于零态平衡点时,P1和P1导通,通过电流镜P1会流过一个电流注入N8和N9的栅极,抬高其电压,促使偏置电路脱离零态平衡点。当偏置电流正常后,P0的电流会抬高P1和P1的栅极电压,关断P1,完成电路的启动。启动电路在电路正常工作后关断。

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5. 工作计划

第1周: 下载任务书完成审题,查找文献。

第2周: 完成文献的翻译,撰写开题报告,经导师确认后上传毕设系统。

第3周: 电路的总体设计和规划。

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