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低压低功耗高精度基准源研究

作　者: 沈路
导　师: 于奇
学　校: 电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 流水线ADC 带隙基准源曲率补偿技术 Y网络阻抗等效缓冲器
分类号: TN43
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

基准电压源电路是模拟集成电路中一个非常重要的模块,被广泛地应用在诸如模拟/数字转换器(A/D Converter),数字/模拟转换器(D/A Converter),电源控制电路(Power management circuit)以及存储器(Memories)等电路中。近年来随着便携式电子系统的普遍应用,对模数转换器的功耗、速度和精度提出了更高的要求。本文设计了一个应用在12bit 100Msps Pipelined ADC中的基准电压源,采用CMOS0.18μm、1.8V工艺,要求基准源在-40℃到85℃的温度范围内温度系数小于6.84ppm/℃,随电源电压(1.5V-2.1V)的变化小于1860ppm/V。本文首先介绍了带隙基准电压源的各项指标和基本原理,分析了传统带隙基准源(BGR)结构的缺点和不足。在此基础上,利用寄生PNP管的有限增益以及放大系数β的非线性,提出了一个新型的基于电流模式的凹凸曲线补偿技术实现方式,从而实现了低压下的高阶温度补偿,并采用共源共栅结构提高电源电压抑制比。功耗与面积之间存在折衷,为实现低功耗,不可避免地增加了芯片面积,采用Y网络等效网络可以有效降低这一影响。仔细分析了运算放大器对带隙的影响,设计了一个高增益的两级运算放大器。在输出缓冲器设计过程中,首先分析了带隙基准直接输出将遇到的问题,通过建立基准输出在中的等效模型,得出了缓冲器单位增益带宽和跨导与PipelinedADC速度和精度的关系。设计得到的缓冲器,不仅温度系数低,而且能够很好地抑制噪声。使用CMOS 0.18μm的工艺库,在Cadence仿真环境下进行了电路仿真。仿真结果表明,-40℃到85℃温度范围内,基准源温度系数为1.77ppm/℃;在1.5V-2.1V电源电压范围内电源电压调整率为864.1ppm/V;室温25℃下,电源电压抑制比为-63dB,启动时间为61ns。随着工艺角的变化,在1.8V工作电源下,本模块消耗的最大功耗为0.65mW,最小功耗为0.46mW。整个电路设计符合项目总体设计要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-14
  1.1 国内外研究现状与发展趋势  9-12
  1.2 课题研究的意义  12-13
  1.3 本文的主要内容  13-14
第二章 12bit 100Msps Pipelined ADC总体介绍  14-22
  2.1 项目总体简介  14-17
  2.2 基准源在Pipelined ADC中的作用  17-20
  2.3 基准源的设计目标  20-22
第三章基准源的原理与分类  22-30
  3.1 基准源的性能指标  22
  3.2 电压基准源的分类与性能比较  22-24
    3.2.1 简单齐纳基准源  22
    3.2.2 正向二极管串联电压源  22-23
    3.2.3 V_(BE)倍增电路  23-24
    3.2.4 小电压源  24
    3.2.5 温度补偿齐纳基准电压源  24
  3.3 带隙电压基准源  24-30
    3.3.1 基本原理  24-27
      3.3.1.1 负温度系数电压V_(BE)  25-26
      3.3.1.2 正温度系数电压ΔV_(BE)  26
      3.3.1.3 基准电压的产生  26-27
    3.3.2 带隙电压的温度特性  27-29
    3.3.3 带隙电压的温度特性  29-30
第四章高精度带隙基准电压源的结构选取  30-36
  4.1 传统带隙结构的局限性  30-31
  4.2 新型的温度补偿技术  31
  4.3 凹凸曲线的实现  31-34
  4.4 基准源的整体电路  34-36
第五章核心电路的设计与仿真  36-50
  5.1 电阻的选择与设计  36-37
  5.2 运放设计  37-39
  5.3 面积优化设计  39-41
  5.4 温度微调范围设计  41-42
  5.5 偏置电路  42-44
  5.6 启动电路  44-45
  5.7 仿真结果与分析  45-50
    5.7.1 基准电压随温度的变化(温度特性)  45-46
    5.7.2 基准电压随电源电压幅度的变化(电源电压调整率)  46-47
    5.7.3 基准电压随电源电压频率的变化(电源电压抑制比)  47-48
    5.7.4 基准电压的建立特性  48-49
    5.7.5 不同工艺角的仿真  49-50
第六章基准输出缓冲器的分析与设计  50-62
  6.1 输出缓冲器的特点与分类  50-53
    6.1.1 缓冲器的用途和特点  50
    6.1.2 缓冲器的典型结构分析  50-53
  6.2 缓冲器的建模与分析  53-57
    6.2.1 Pipelined ADC系统中负载电容的等效模型  53-54
    6.2.2 ADC系统对基准缓冲器的要求  54-56
    6.2.3 Matlab仿真与结果分析  56-57
  6.3 缓冲器的设计  57-59
  6.4 仿真结果与分析  59-62
第七章结论与展望  62-64
致谢  64-65
参考文献  65-67
攻读硕士学位期间取得的研究成果  67

低压低功耗高精度基准源研究

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