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本文概述了基准电压源和基准电流源的发展历史,现状和趋势。阐述了CMOS集成基准源的优势和特点,指出了本课题的研究意义。阐述了设计中相关的器件理论与工艺模型,对CMOS工艺下的两种有源器件,即亚阈值工作状态下的金属场效应晶体管(MOSFET)及衬底PNP双极型晶体管(BJT)的温度模型及其影响因素进行了分析和比较,指明衬底PNP双极型晶体管更适合作为基准源的温度补偿元件。阐述了CMOS电路中常用到的重要的子电路的相关理论,通过对各种类型CMOS集成基准电压源的性能和特点的比较,确定选用理论最为成熟和性能最为稳定的带隙基准源。通过对大量文献中对温度补偿方法的分析,指出只有采用多阶温度补偿才能大幅降低输出电压的温度系数。而分段线性补偿是多阶温度补偿方法中比较简单的,而且经过优化设计可以与CMOS工艺兼容。利用带隙基准原理设计获得与绝对温度成正比(PTAT)电流,进而获得与温度成正比的电压值。对传统带隙基准电路进行了改进设计,采用自偏置结构和镜像电流镜结构,利用运放的输出电压作为运放的偏置电压,节省了偏置电路,降低了功耗;使用低温度系数的多晶硅高值电阻,降低了电阻温漂对电路的影响;在电源电压不变的情况下,为了减小功耗就必须减小工作电流,而增大电阻的阻值能有效地减小工作电流,多晶硅高值电阻的方块电阻很大,可以节省版图面积。用较简单的电路形式实现了低功耗和高电源抑制比的PTAT电流产生电路和CTAT电流产生电路。与相关文献相比,在工艺相同的情况下具有更低的功耗。考虑到分段越多,电路会变得越复杂,利用得到的PTAT电流和CTAT电流完成温度的两段线性补偿,获得温度系数很小的基准电压输出。利用上面的PTAT电流和CTAT电流,合理设计电路获得较小温度系数的基准电流。采用Bsim3v3模型,利用Cadence Spectre仿真工具对整个电路进行仿真,得到仿真结果:基准电压源的温度系数仅为1.88ppm/°C,电源电压抑制比为-63.5dB,随电源电压幅度的变化仅为0.195mV/V,功耗仅为144.2μW;基准电流源的温度系数为113 ppm/°C,电源电压抑制比为-89.5dB,随电源电压幅度的变化仅为1.5nA,功耗仅为98μW。基于基准电流源设计了全差分电荷泵,降低了电荷泄露所带来的电压噪声,提高了电荷泵的上升和下降速度,消除了电流失配所带来的噪声。采用正反馈结构既提高了开启和关断速度,也降低了功耗。在-1.4V~+1.4V范围内具有很好的线性度和稳定的步长,证明它可以广泛应用于低电压、低功耗和高性能DPLL电路中。基于基准电压源设计了温度保护电路,仿真结果表明,它能在温度高于120°C时产生触发信号,使系统关闭,在温度低于80°C时使系统恢复正常工作。