A LOW-POWER CMOS VOLTAGE REFERENCE WITH LOAD CAPABILITY

一种具有负载能力的低功耗CMOS参考电压源

乔鸿昌

11749190

硕士

集成电路工程

詹陈长

2019-05-29

2019-07-10

哈尔滨工业大学

深圳

As the most basic and important module in analog and mixed analog-digital circuits, voltage reference source plays the role of providing accurate and stable reference voltage in the whole circuit. Therefore, the voltage reference source is widely used in modern large-scale integrated circuit and modern very large scale integrated circuits, such as power management systems, phase lock loop, ADC, DAC, environmental sensors and wireless sensor network (WSN), etc.This paper innovatively proposes a low power sub-threshold CMOS voltage reference with current loading capability by analyzing the working principle and performance index of the classical 2T sub-threshold CMOS voltage reference. The research on circuits of traditional 2T sub-threshold CMOS voltage referenceincludes circuit principle analysis and simulation analysis of performance index that includes temperature coefficients, line sensitivity, power supply rejection ratio, power consumption and noise. This proposed design of chip uses the cadence-virtuoso for circuit design, pre-simulation, layout design, post-simulation, and uses TSMC_0.18μm technology to make fabrication, and at last the design of the PCB board, the bonding of the chip, and the soldering of the components required for testing are completed.The final test results show that the proposed low-power CMOS voltage reference with current load capability has an output voltage of 143 mV at 0.5-1.8 V and a maximum load current of 300 μA. The actual circuit function measurementverifies that the sub-threshold CMOS voltage reference of this design has the current loading capability while satisfying the basic performance index of the traditional CMOS voltage reference, achieving the design goal of a low power CMOS voltage reference that does not vary with temperature, supply voltage, and load current.

随着物联网的迅速发展，以及便携式设备的普遍普及，高科技电子产品的使用越来越成为人们生活工作中不可或缺的组成部分。集成电路是高科技电子产品的核心支撑部分，这使得进行集成电路方向的研究有着非常重要的前瞻性意义。关于集成电路的分类，主要有模拟集成电路和数字集成电路两个重要分支。参考电压源作为模拟集成电路和数模混合集成电路中最基本的重要模块，在整个电路中发挥着提供精准稳定的参考电压的作用，从而被广泛地应用于现代大规模集成电路、现代超大规模集成电路中，例如传统的电源管理系统、锁相环、模数转换器、数模转换器、环境传感器和无线充电芯片等。本篇文章通过研究 CMOS 晶体管在亚阈值区的相关特性，在传统的亚阈值CMOS 参考电压源的基础上创新性地设计了一种具有带负载能力的亚阈值CMOS 参考电压源。本次设计的亚阈值 CMOS 参考电压源能够在满足传统CMOS 参考电压源性能指标的同时具有负载电流的能力，实现了真正意义上的不随温度、电源电压和负载电流变化的参考电压源的设计目标。本次电路设计通过正版 Cadence-virtuoso 软件进行电路设计、前仿、版图设计、后仿，并且使用 TSMC_0.18μm 工艺加工流片，最后设计电路板、绑定芯片、焊接测试所需元器件，通过实际的测试验证电路的性能指标。在本篇文章的第一章节部分中，首先介绍了电压基准源的应用背景。一方面通过实际的使用事例解释传统的电压基准源的应用价值，比如在低压差线性稳压器中参考电压源提供一个作对比的参照量，通过对输出电压的采样反馈给放大器的输入，再与参考电压源对比输出，最后通过控制驱动晶体管稳定输出电压。另一方面，通过相关实例阐明本次设计的具有带负载电流参考源的重要意义，比如给模拟数字转换器中的开关电容提供电压基准的参考电压源需要具有一定的驱动电流的功能。接下来介绍了电压基准源的产生方式和性能指标。电压基准源性能指标有温度系数、线性调整率、电源抑止比、功耗和稳定性等，其中温度系数作为首要的性能指标是电压参考源来源的依托标准。最后本章介绍了电压基准源的两种分类，分别是带隙基准源和参考电压源。在本小节中分别列举了近些年提出关于两种电压基准源的电路，并进行性能上的对比，使读者整体上对电压基准源的研究现状和亚阈值 CMOS 参考电压源所具有的低功耗的独特优势进行更深层次的理解。在本篇文章的第二章节部分中，承接第二章节低功耗的关键点，引入对亚阈值 CMOS 参考电压源的研究。本章主要介绍了所提出的亚阈值 CMOS 参考电压源设计思想的来源，即对传统的亚阈值 CMOS 参考电压源的电路的研究。这其中包括传统亚阈值 CMOS 参考电压源的电路原理分析，以及温度系数、线性调整率、电源抑制比、功耗和噪声等性能指标的仿真分析。本文的第三到第五章节部分主要介绍了本次设计的亚阈值 CMOS 参考电压源。本三个章节通过电路设计、版图设计、测试验证三个环节对一个芯片从设计到测试的完整的芯片设计进程进行了介绍。其中第三章节部分首先介绍了所提出的亚阈值 CMOS 参考电压源的结构，包括产生基准电压的核心电路和性能指标的改进结构，接着在下一小节介绍了两种主流的 CMOS 模拟集成电路设计的方法，一种是利用过驱电压设计，另一种是利用跨导电流关系设计。紧接着在第三小节介绍了设计目标和性能的折衷，这是本次电路设计的关键环节，全面展示了所提出的参考电压源电路的目标设计过程与性能优化过程，同时在本环节的最后给出全面的仿真结果，并将本次提出的创新型的 CMOS 亚阈值参考电压源与经典的两个 CMOS 晶体管亚阈值参考电压源的设计进行比较分析，得到本次设计的电路基本性能指标得到改善的同时具有负载电流的能力。随后在第四小节针对工艺角的偏差对调节电路的设计进行了介绍，与此同时，为确保电路的可靠性，用蒙特卡洛工具对电路的性能指标的概率统计分布进行了仿真。最后，给出对电路设计和电路仿真工作的完整性概括。第四章节部分介绍了版图设计，其中包括版图设计重要规则的介绍、匹配的介绍、天线效应和静电效应等介绍，最后给出本次电路的版图设计方案和后仿结果。最后小节对从版图设计到后仿的流程中较为重要的内容进行总结。第五章节部分主要介绍了测试验证，其中包括测试电路板设计的原理、测试的数据整合方案等，通过实际的测试结果验证本次设计的电路的功能。在本章中首先在第一个小节介绍了 PCB 的设计，这其中包括 PCB 原理图的介绍、PCB 设计规则介绍和 PCB 的封装设计。其中 PCB的封装设计既包括芯片的封装类型也同时含有电阻、电容和电位器等用来测试的元器件的封装型号的确定，同时还有 PCB 的布线。然后在下一环节展开讲述实验测试过程，这其中包括在实际测试时遇到的问题与解决方案，也就是对电路功能的实际验证中遇到的问题进行了讨论和解决。最后，功能验证正确后通过 MATLAB 数学软件对测试获得的实验数据进行整理和分析，同时对实验测试后得到的性能指标与近几年的其他同类设计作品的性能指标进行比较，总结出本次设计具有的低功耗、驱动能力的优点，与此同时与设计指标相呼应，得出本设计是一个完整优秀的设计结论。因为在模拟集成电路设计中没有任何完美的设计，因此在本章的最后一个小节指出了本次设计的不足并进行相关性的分析，同时提出改进的电路结构，但由于时间等条件的限制，此次结构上的改进并没有进行测试，这里只给出了部分关键的仿真结果。最后，对本次测试的整个环节进行了总结，从测试问题的解决到数据的整合，再到与其他作品的比较，最后到缺点和改进方案的提出对测试验证环节进行了概括性的提炼。本文的第六章节是对于全篇文章进行的总结，是对全部工作的汇总。从应用背景的引入到传统基准源设计的介绍，从对传统基准源的分析到所提出电路的想法，从电路设计到版图规划，从对版图提取参数后的仿真到流片，从实际测试到对记录数据的整理分析，从电路功能得到验证到电路结构的改进。通过对完整的芯片设计流程介绍，使读者对设计一个芯片有了非常全面的认识和非常深入的理解。

Subthreshold reference voltage source load capacity low power consumption area

亚阈值 参考电压源 负载能力 低功耗 面积

英语

联合培养

南方科技大学

Qiao HC. A LOW-POWER CMOS VOLTAGE REFERENCE WITH LOAD CAPABILITY[D]. 深圳. 哈尔滨工业大学,2019.