（电路与系统专业论文）无线传感网络接收芯片内嵌基准源设计.pdf

t h ed e s i g no far e f e r e n c es o u r c e i n t h ew s nr e c e i v e rc h i p at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y z i h u aq u s u p e r v i s e db y p r o fm e n g z h a n g s c h o o lo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 加 4川i6 舢7ii-帅y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：堂兰芏 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日期： 摘要 摘要 基准源作为接收芯片中偏置电压和电流的产生源，其性能对接收芯片的总体性能有着重要影响。研究 开发出一种适用于无线传感网络中接收芯片的基准源对提高整个网络的通信质量、电池续航能力都有着重 要意义。 论文设计了一种适用于z i g b e e 标准的无线传感网络接收芯片的基准源。论文首先论述了基准源的作用 和性能指标，介绍了基准电压源的种类、理论基础和研究现状，确定了基准源的设计指标。论文设计的基 准源主要包括带隙基准电压源电路以及基准电流源电路两大部分。在带隙基准电压源部分，设计了电流模 结构的低压带隙基准电压源核心电路，详细分析了其失配、噪声对带隙基准电压源的影响，并设计了一个 低失调电压，低噪声，无尾电流的误差放大器；在基准电流源部分，论文利用增益提升( g a i n b o o s t ) 技术 提高基准电流输出级的阻抗来减小负载的影响；另外，论文对基准电压源进行低压低功耗改进设计，并利 用亚阈值和体效应技术设计了一种可以完全由标准数字c m o s 工艺实现的超低压低功耗基准电压源。 论文所设计的适用于z i 曲e e 接收芯片的基准源基于s m i c 公司的0 1 8 m 工艺进行仿真和版图设计并 流片测试。测试结果显示基准电压源的温度系数为3 2 4 p p n l ，线性校准率为0 2 5 m v ，达到设计指标 要求。另外，对低压低功耗方面进行改进设计的基准电压源也基于s m i c0 1 8 p m 工艺进行了仿真，仿真结 果显示温度系数为4 6p p m 。c ，电源电压可低于o 6 v ，功耗仅3 4 8 n w 。 关键词：z i 曲e e 、电流模、带隙基准源、低压低功耗、亚阂值、体效应 a b s t r a c t a bs t r a c t r e f e r e n c es o u r c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a mb l o c k si r ir ft r 肌s c e i v e rc h i p ，i t sp e r f o 肿卸c eo f t e nd i r e c t l y i n n u e n c e st h eo v e r a l lp e 墒m a n c eo ft h er fr e c e i v e r r e s e a r c h 觚dd e v e l o par e f e r e n c es o u r c ei nw i r e l e s ss e l l s o r n e t w o r kr fr e c e i v e rc h i pi se x t r e m e i yi m p o n 锄tt oi m p r o v et h eq 吼l i t yo fc o m m u n i c a t i o na c m s st h en e t 、，岫r k ， b a t t e 呵l i f e i nt h i s l e s i s ，ar e f e r e n c es o u r c eu s e di nt h ei 讧r e c e i v e rc h i po f z i g b e ei sd e s i g n e d 锄do p t i m i z e d f i r s t l y ，t h e f h n c t i o n 锄dp e r f o 册锄c es p e c i f i c a t i o n sa r ed e s c r i b e d t h e n ，t h ec l 笛s i f i c a t i o l l ，t h e o r e t i c a lb 弱e s ，s t l j d ys i t u a t i o n o fr e f e r e n c es o u r c ed e s i g i l sa r ed i s c u s s e da n dt h ep e 渤m 1 锄c et a 唱e t sa r ed e f i n e d t h er e f e r e n c es o u r c ed e s i g n e d i nt h i st h e s i si n c l u d e st h eb 锄d g a pv o l t a g er e f e r e n c e 锄dc l j l l r e n tr e f e r e n c e i nt h eb 卸d g 印v o l t a _ g er e f e r e n c e c i r c u i tp a n ，t h ec u r r e n tm o d el o wv o l t a g eb a n d g a pc o r ec i r c u i ti sd e s i g n e d ，a n dt h ei m p t so fm i s m a t c h ，n o i s eo n t h eb a n d g a pr e f e r e n c ev o l t a g er e f e r e n c e 牡e 锄a l y z e di i lc i e t a i l ；d e s i g n e da ne r r o r 锄p l i f i e rw i t hl o wo 凰e tv o l t a g e ， i o wn o i s e 锄dn ot a i lc u 盯e n tc h 扰l c t e r i s t i c s 1 1 1 eg a i n b o o s tt e c h n o l o g yi su s e dt 0i m p r o v eo u t p u ti m p e d a l l c e ， w h i c hc 锄r e d u c e 廿l el o a di n n u e n c e i na d d i t i o n ，al o wv o l t a g e 肌dl o wp o w e rc o m u m p t i o no p t i m i z a t i o nd e s i g n o ft h ev o l t a g er e f e r e n c ei sp r e s e n t e d s u b t h r e s h o l d 锄db o d ye 仃e c tt e c h n i c a la r eu s e dt oa c h i e v et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n t h i s 鲫m c t u r ec a nb ec o m p l e t e l ya c h i e v e db ys t 锄d a r dd i g i t a lc m o sp r o e s sw i t l lu l t r al o wp o w e r s u p p l ya n dc o n s u m p t i o n t h ep r o p o s e dr e f e r e n c es o u r c eu s e di nt h er fr e c e i v e rc h i po f z i g b e eh 笛b e e ns i m u l a t e d 柚df a b r i c a t e dw i t h s m i c0 18 u mp r o c e s s t h ee x p e r i m 锄tr e s u l t ss h o wt h a tt e m p e r a t u r ec o e 蕊c i e n ti s3 2 4 p p n l o c 锄dt l l el n r i s 0 2 5 m v t om e e tt h ei n d e xr e q u i r e m e n t s i na d d i t i o l l l o wv o l t a g e 孤dl o wp o 、v e rc o n s u m p t i o no p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h ev o h a g er e f e r e n c eh 私b e e ns i m u l a t e d ，i t sp o w e rc o n s 帅p t i o ni so r i l y3 4 8 n w 锄dt h et e m p e 咖r e c o e f f i c i e n ti s4 6 p p m 。c ，t h ep o 、e rs u p p l yv o l t a g ec 卸b es u b 0 6 v k e yw o r d s ：z i g b e e ；c u r r e n tm o d e ；b a n d g a pr e f e r e n c e ；l o ws u p p l yv o l t a g e a n dl o wp o w e rc o n s 啪p t i o n ； s u b t h r e s h o l d ；b o d ye 仃e c t i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 者论l 0 1 课题背景1 0 2 目前国内外研究现状。l 0 3 论文主要工作和论文结构。3 第一章基准源的概述4 1 1 基准源的作用和主要性能参数。4 1 2 基准源的种类5 l - 3 基准源的理论基础和国内外研究成果7 1 4 本章小结1 6 第二章z i 曲e e 接收芯片中的基准源设计1 7 2 1 基准源设计指标的确定1 7 2 2 基准电压源结构的选择。1 7 2 3 基准电压源核心电路的设计1 8 2 4 带隙基准源启动电路的分析与设计3 3 2 5 基准电流源的分析与设计3 4 2 6 基准源版图设计3 6 2 7 本章小结4 l 第三章z i g b e e 接收芯片中的基准源仿真和测试4 2 3 1z i g b e e 接收芯片带隙基准电压源的前仿真验证与分析4 2 3 2z i 曲e e 接收芯片基准电流源的前仿真验证与分析4 5 3 3z i g b e e 接收芯片基准源后仿真验证与分析4 8 3 4z i g b e e 接收芯片基准源的测试与分析5 3 3 5 本章小结5 5 第四章z i g b e e 接收芯片基准电压源在低压低功耗方面的改进设计5 7 4 1 低压低功耗基准电压源的改进设计5 7 4 2 改进设计后的仿真6 0 4 3 本章小结6 2 第五章总结与展望6 3 致谢6 4 参考文献6 5 作者简介6 8 i 绪论 o 1 课题背景 绪论 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n 咖o r k s ) ，简称w s n ，是一种全新的信息获取平台，综合了 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够 协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理 后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者；具有快速展开、抗毁性强等 特点，有着广阔的应用前景。基于m e m s 的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了 广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、 保健、家居、工业、商业等领域。 随着微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ，m e m s ) 、片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 、 无线通信和低功耗嵌入式技术的进步，推动了无线传感器网络的发展，并以其低功耗、低成本、分 布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的无线传感网络的通信标准，其 通信方式依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作 “h o m e r fl i t e ”或“f i r e f l y ”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个 微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据 从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分 析或者被另外一种无线技术如w i m a x 收集。z i g b e e 应用领域非常广泛，主要包括：照明控制、环境控制、 自动读表系统、各类窗帘控制、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、内置家居控制的机顶盒及万 能遥控器、暖气控制、家庭安防、工业和楼宇自动化等等。因此z i g b e e 已经成为移动传感器平台的主流通 信标准，基于z i 曲e e 的接收芯片也成为射频集成电路设计的一个热门方向。 z i 曲e e 接收链路如图1 1 所示，z i g b e e 接收芯片主要采用低中频架构，由基准源为接收机中的各个射 频、模拟模块，如低噪声放大器( l n a ) ，混频器( m i x e r ) ，可变增益放大器( v g a ) ，带通滤波器( b p f ) 和模数转换器( a d c ) 提供稳定的偏置电压和电流。在射频模拟电路中，偏置电压或电流的好坏直接影响 了整个电路的性能，所以，基准源作为芯片中各个射频模拟电路模块的偏置产生源，其性能会直接影响到 整个芯片的性能。另外，对于基于z i g b e e 的接收芯片来说，低压低功耗是其一个主要的性能指标。所以， 研究开发出一种使用深亚微米工艺，可以工作在低电源电压下的低功耗高精度基准源，使其可以应用在诸 如z i g b e e 等移动无线传感网络接收机和其他无线手持终端设备中，具有十分重要的研究意义。同时可以利 用积累的低压低功耗、小面积基准源设计技术，开发出成熟可靠的移动无线接收机终端芯片，具有广阔的 应用前景和研究价值。 0 2 目前国内外研究现状 基准源的设计目标是在尽量低的电源电压、功耗、面积和制造成本下实现高精度的输出电压或电流。 所以，目前国内外对于基准源的研究热点和方向主要集中在： l 、低温度系数的带隙基准源。2 、高电源 噪声抑制的带隙基准源。3 、低噪声输出的带隙基准源。4 、低电源电压和低功耗的基准源。 在低温度系数方面，主要是通过高阶补偿( 曲率补偿) 来降低温度系数。目前比较常用的有v b e 环路 法【1 1 、分段补偿技术2 1 、利用具有不同温度系数的电阻得到温度高阶项的高阶补偿技术【3 j 1 4 删等等。1 9 9 3 东南大学硕士学位论文 图1 1z i g b e e 接收链路结构框图 年，m g u n a w 狮等人提出了一种曲率校准的低电压带隙基准电压涮，输出电压的温度系数的测试结果可 以达到4 p p i n 。1 9 9 8 年，g a r i n c o n m o r a 提出了一种利用分段线性补偿技术消除二极管电压中非线性 部分的带隙基准电压源的设计方法【2 j ，输出电压温度系数的测试结果小于2 0 p p n l 。2 0 0 2 年，k an a n g l e u n g 等人提出利用与温度有关的电阻比例来进行温度补偿i ) j ，输出电压的温度系数的测试结果可以达到 5 5 p p f n 。目前在学术界，c m o s ，b i c m o s 和b i p o l a r 三种工艺下带隙基准电压源达到的最好的温度特 性分别为5 3 p p m i 引，1 p p m 1 6 j ，0 5 p p m 1 7 j o 而在工业界，t i 公司的r e f 5 0 系列也已经达到了3 p p l n 。 在高电源噪声抑制方面，主要方法有加前级校准器，引入内部校准电压和加入电压减法器等方法。1 9 9 5 年，k h o n g m e n gt h 锄等人在提出用引入内部校准电压的方法来提高p s r r i 引，在l k h z 时，p s r r 可以达 到9 5 d b 。2 0 0 2 年，s kh 0 0 n 等人提出通过在电源和运放输出之间加入电压减法器来提高p s r r i 圳，这种 方法的优点是可以在不增加电源电压的情况下提高p s r r 。在l k h z 时，p s r r 可以达到9 8 d b 。 在低噪声输出方面，除了增大m o s 管面积，减小电阻值之外，主要是通过利用b j t 管相对m o s 管 的低噪声特性来降低噪声输出。2 0 0 7 年，k e i t hs a n b o m 等人利用加入b j t 管的方法提出了一种低于l v 电 源电压下工作的低噪声带隙基准电压源【1 0 】，在1 v 的电源电压下，在噪声谱密度为4 0 n v 匝 2 0 h z ( 角 频率) 。 在低电源电压和低功耗方面，方法主要有电流模法【l l 】【1 2 】、亚阈值法【1 3 l 【1 4 1 1 1 5 】【2 、使用特殊器件f 1 6 】【1 7 】【1 8 】【2 2 】 和特殊结构的基准源【1 3 l 【1 9 】【2 0 】等等。1 9 9 9 年，t o s h i b a 公司的h i r o n o r ib a n b a 提出了电流模式的带隙基准源， 该结构使得带隙基准源可以在工作在l v 以下j 。g t z a n a t e a l s 在1 9 7 9 年最早提出了利用亚阈值技术来实 现微功耗c m o s 带隙基准源结构【l4 ，之后，亚阈值技术成了低压低功耗基准源的主流设计技术。2 0 0 6 年 由王晗等人将电流模式带隙基准电压源中的二级管替换成工作在亚阈值区的m o s 管实现电流模式的基准 源【2 1 | ，该结构电源电压可以低至0 6 v 。之后的一些特殊结构的基准源也是利用亚阈值技术实现的，如2 0 0 7 年g i u s e p p ed v 等人利用亚阈值技术提出了的一种电源电压低于1 v 、纳瓦级功耗、无电阻、c m o s 工艺 实现的基准电压源产生电路1 1 w ，该结构的电源电压可以低至o 9 v 以下，在4 v 的电源电压下仅有7 0 n a 的 电流。而k e nu e n o 在2 0 0 9 年提出的结构也利用了亚阈值实现温度补偿【1 3 1 ，该结构可以完全由标准c m o s 工艺实现，电源电压可以低至1 4 v 。使用特殊的器件也能有效降低电源电压，如使用了动态阈值m o s 管 ( d t m o s ) 1 1 6 】，低阂值电压管( n a t i v em o s ) 【1 7 】，肖特基( s c h o t t k y ) 二极管【1 8 l 以及零阈值电压的m o s 管( z v t ) i 砣j 。其中p k i n g e t 等人在2 0 0 8 年提出的使用s c h o n 姆二极管实现了可以工作在0 5 5 v 电源电 压的基准电压i 】引。目前能得到最低的电源电压和最低的功耗的基准电压源由m i n g o os e o k 在2 0 0 9 年提出， 该结构的基准电压源只有两个晶体管，电源电压可以低至0 5 v ，此时功耗仅为2 2 p w l 2 2 | 。 2 绪论 随着工艺的进步，一些技术使得使用小尺寸晶体管实现的模拟电路也能容易的达到所要求的性能，如 f i n f e t f 2 3 】，2 0 0 9 年a j a n n e m a 等人提出了用3 2 咖s o if i n f e t 技术实现的电压基准源1 2 4 】。但是上述的 四个方向依旧是发展的重点方向。 o 3 论文主要工作和论文结构 一、论文的主要工作 论文主要研究目标为设计开发一种适合低电源电压工作环境、深亚微米工艺条件，适用于z i 曲e e 接收 芯片的基准源。研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 对基准源的发展过程和相关理论进行归纳总结，对各种基准源设计的思路和电路结构进行了论述。 2 ) 设计出一种基于0 1 8 u m 工艺的基准源电路，使其满足z i 曲e e 接收芯片的性能要求。 3 ) 研究如何在保证基准源电路性能并降低电源电压、功耗、失配和噪声的方法并体现在电路设计当中。 4 ) 设计基准源电路原理图，进行前仿真并优化性能，达到设计指标。 5 ) 完成基准源的版图设计并进行后仿真，确保设计符合要求。 6 ) 对基准源进行测试。 7 ) 在已有结构的基础上，对基准电压源进行低压低功耗方面的改进设计和研究以面对未来无线传感网络 对低电源电压、低功耗和低成本的要求。 针对基准源设计技术而言，论文的工作为：开发一种符合z i g b e e 接收性能要求的基准源，仿真结果达 到设计要求，测试结果达到要求，并在已有结构的基础上，设计一种可以工作在极低电压下并完全由标准 数字c m o s 工艺实现的低功耗基准电压源。 二、论文的结构 论文的主要内容将分为六个部分进行叙述。 首先是绪论，给出了论文的研究背景和国内外研究现状，最后给出了论文的主要工作内容。 第一章是概述，介绍基准源的作用、性能参数、理论基础和国内外研究成果，对目前一些主流的基准 源结构进行了论述和评价。 第二章先结合z i g b e e 系统指标要求，给出了基准源的设计指标；再通过对基准源电路结构的分析比较， 选择了电流模式带隙基准源作为本设计的基准电压源结构：对带隙基准电压源核心电路、误差放大器电路、 启动电路、电压电流转换电路和基准电流输出级电路等模块的设计思路、设计流程进行了详细的说明；在 基准源设计过程中，对该设计的基准源结构的失配，电源噪声和固有噪声影响进行了详细的分析，并根据 分析的结论进行了电路级和版图级上的优化设计； 第三章是对设计的验证，给出了所设计基准源的仿真结果和测试结果。 第四章是对基准电压源进行低压低功耗方面的改进设计以应对未来无线传感网络的应用，在已经提出 的结构的基础上，设计一种完全用标准数字c m o s 工艺实现的低压低功耗基准电压源，并给出了仿真结果。 第五章是总结与展望，对论文的内容和相关工作进行了总结，对本课题后续研究工作进行了展望。 3 第一章基准源的概述 第一章基准源的概述弟一早叁，隹源酬僦尬 基准源是模拟、射频集成电路中的重要模块，其研究也一直是集成电路设计领域中的重要课题之一。 本章将阐述基准源的作用、主要性能指标、种类、理论基础和一些国内外研究成果，并对已经提出的基准 源结构( 国内外研究成果) 进行论述和评价。 1 1 基准源的作用和主要性能参数 在模拟电路设计中，基准源的作用是用来给其他电路模块提供稳定的电压或电流。产生基准电压的基 准源叫基准电压源，而产生基准电流的基准源即为基准电流源。理想的基准源的输出信号与温度、电源电 压变化、负载、时间、工艺无关l z 5 i 。 基准源在诸如数据转换器、电源管理、振荡器、p l l 等模拟和数模混合电路中都有非常重要的作用， 其性能直接影响了整个系统的性能。如图1 1 可见，基准源的作用为接收机中的低噪声放大器( l n a ) ，混 频器( m i x e r ) ，锁相环( p l l ) ，可变增益放大器( v g a ) ，带通滤波器( b p f ) 和模数转换器( a d c ) 提供稳定的偏置，偏置的形式既有电压偏置，也有电流偏置。 基准源的性能参数描述了这个电压或者电流信号的“稳定性”，即描述了真实值与理想值之间的误差， 这些误差可以是随机的，也可能是系统性的，可能是直流误差也可能是交流误差，可能是短时间的影响也 可能是长时间的影响1 2 6 j 。下面就介绍下基准源的一些主要性能参数。 一、初始精度 基准源在流片后有一个固定的直流误差，这个直流误差是由于工艺的随机变化，器件的失配以及封装 压力等原因引起的。所有这个误差有一定的随机性，描述这个随机直流误差的指标即为初始精度。所以初 始精度定义为在2 7 的测试温度下、在足够数量的测试样本芯片中的测试结果中3 a 统计范围内的直流偏 差值( 3 o v r e f ) 与理想值( v r e f ) 的比值【2 6 】。定义式为： 初始黻= 等 一般情况下可以根据没有经过微调( t r i n u n i n g ) 的测试样本芯片的初始精度来确定微调的位数( 范围) 来达到所要求的指标。 二、温度系数 温度系数( t e m p e r a t u r ec o e 币c i e n t ) ，简水t c ，是基准源的一个重要性能指标，它反应了基准源输出 信号对温度变化的敏感程度，具体表达式为【2 6 j ： 式中v r e f m a x 代表要求的温度范围内基准源输出最大值，v r e f m i n 代表要求的温度范围内基准源输出最小 值，v r e f 为参考温度下的输出电压，t m a x 为最高温度，t m i n 为最低温度。t c 的单位为p p m ，表示平均 每摄氏度变化量为理想值的百万分之几。理想的基准源输出信号t c = 0 p p m o c ，即基准源输出值与温度变 化无关。 三、线性校准率 线性校准率( l i n er e g u l a t i o n ) ，简称l n r 【2 6 】，是基准源的一个重要性能指标，它反应了基准源输出 随着电源电压直流变化而变化的直流量，具体表达式为： 4 壶 一 东南大学硕士学位论文 一甓i 必 y 。 ( 1 3 ) 式中v r e f 表示基准源一定电源电压范围内变化下输出的最大变化量，而v d d 表示电源电压的变化范围。 l n r 的单位为m v 厂v ，表示在一定的电源电压范围内电源电压平均每变化l v 基准源输出变化的量。电源 电压的变化范围一般就是系统要求的电源电压工作范围指标。 四、电源噪声抑制 电源噪声抑制( p o w e r - s u p p l yr i p p l er e i e c t i o n ) ，简称p s r r 【2 6 】，也是基准源的一个重要性能指标，它 反应了基准源输出随着电源电压交流变化而变化的交流量，具体表达式为： 一= 等j ， ( 1 4 ) 式中a v r e f 表示基准源在某个频率下由电源电压噪声波动引起的波动的幅值，而a v r e f 表示电源电压噪声的 波动的幅值。p s r r 的单位是d b ，即表示电源噪声到基准源输出在某个频率下的增益。频率范围一般取整 个系统工作的频段。注意，l n r 和p s r r 都是反映基准源对电源电压变化的敏感度，但不同在于l n r 反 映的是直流情况，而p s r r 反映的是交流小信号情况。 五、电路固有噪声 除了电源噪声，基准源输出还受到有本身有源器件和无源器件产生的热噪声、闪烁噪声( f l i c k 噪声， l f 噪声) 等噪声的影响。一般定义噪声指标为在1 0 0 h z 时的基准源输出噪声功率谱密度。由于起到主要作 用的闪烁噪声的主要影响在低频段，所以噪声指标也可以定义为基准源输出噪声功率谱密度在o 1 h z l o h z 频率范围内的积分再平方根后乘以2 扼的值，这个值可以近似看做噪声在输出产生的波动的峰峰值【2 7 1 。 六、静态功耗 静态功耗即直流功耗。随着便携式产品市场的爆发，低功耗是成为集成电路发展的一个必然方向，作 为电路中的一个重要模块，降低基准电压源的功耗对整个电路性能的评价也有着重要的贡献。由于基准源 有用的信号是直流信号，所以基准源的功耗一般均指静态功耗。 七、长期漂移 由于器件的随着时间的老化，所以随着时间的变化，基准输出值也会发生缓慢变化。长期漂移一般用 p p i t l 1 0 0 0 h r s 为单位来表示例。 八、热滞后性 当基准源经历温度变化再回到初始温度时，输出电压一般不同于初始电压，这种由于温度变化后产生 的误差叫做热滞后性。热滞后性难以修正，对于经历温度变化在2 5 或更大的范围时的系统，热滞后性是 一个重要的误差1 2 引。 最后两项参数主要是针对基准电压源可靠性提出的，是基准源进入产业化阶段需特别考虑的指俐5 1 ， 在本文的设计中暂时不作关注。 1 2 基准源的种类 在集成电路中，目前大致有四种常用的基准源：齐纳二极管基准源、结型场效应管基准源、带隙基准 源和特殊结构的基准源。下面分别介绍这四种常用的基准源。 一、齐纳二极管基准源( z e n e r 基准源) 工作在雪崩击穿状态的齐纳二极管的击穿电压具有正的温度系数约为2 m v ，而正向硅二极管具有负 的温度系数约为2 m v ，两者可以相互抵消来达到温度补偿。这种类型的基准源温度特性可以做得很好， 成熟的产品可以做到l 2 p p n l i 列j ，l i n e 盯t e c h 公司已经推出了温度系数为o 5 p p 州的z e n e r 基准电压源。 但是由于齐纳二极管的雪崩击穿电压大于7 v ，同时击穿之后的工作电流也很大( 毫安级) ，所以功耗很大， 5 第一章基准源的概述 不适合在一些需要低功耗工作的便携式系统中。所以，齐纳二极管基准源对有着一定的低压低功耗要求的 无线传感网络接收芯片来说是不适用的。 二、结型场效应管基准源 这种电路中一般包括两个结型场效应管，其中一个在制造时外加一步离子注入工艺形成，称作为外加 离子注入结型场效应管( e x t r ai m p l a n t a t i o nj u n c t i o nf i e l de 债c tt r 抓s i s t o r ) ，简称x f e t 。这样就使两个管 子的夹断电压有一个差值，在相同的驱动电流和电源电压下，就可以将这个差值转移到栅极电压上。v g s 具有负的温度系数，通过加一个具有正的温度系数的电流来实现输出电压的温度补偿，输出电压的温度系 数一般可以达8 1 0 p p n l 圳，a d i 公司基于x f e t 的基准源温度系数已经可以做到l p p m ，如a d r 4 4 0 、 a d r 4 3 0 和a d r 4 2 0 。这种结构的电路在c m o s 工艺中无法实现，所以无法应用于s o c ，不适用于无线传 感网络接收芯片。 三、带隙基准源( b a n d g a p 基准源) 带隙基准源的温度补偿原理如图1 1 所示，就是通过将两个不同的二极管导通电压相减得到一个正温 度系数的量k 、，t 与另一个具有负温度系数的二极管导通电压v b e 【2 5 】相叠加，最终得到与温度系数无关的输 出电压v r e f 。这里把k v t 这个正温度系数项叫做p t a t ( p r o p o r t i o n a lt o a b s o l u t et e m p e r a t u r e ) 项，把v b e 这个负温度系数项称为c t a t ( c o m p l e m e n t a 叫t 0a b s o l m et e m p e r a t i l r e ) 项。由于经过温度补偿之后输出 电压只剩下带隙电压项，故此得名带隙基准源【2 5 1 。带隙基准源的温度补偿效果很好，在学术界已经可以达 到0 5 p p f n 1 7 j ，而在工业界也已经达到了3 p p m ，如t i 公司的r e f 5 0 系列。 同时，利用寄生的p n p 的双极型晶体管( b j t ) 的可以使得带隙基准源完全可以兼容c m o s 工艺“引， 所以这种技术可以应用在s o c 中，这使得带隙基准源应用最为广泛。带隙基准源的具体原理将在第二章 详细说明。 图1 1带隙基准源的温度补偿原理 x k t v 8 e 四、特殊结构的基准源 传统的带隙基准源虽然能做到在兼容c m o s 工艺的情况下达到较好的精度和较低的电源电压和功耗。 但是寄生的p n p 管会占用较大的面积，同时p n 结固有的0 7 v 左右的导通电压使得寄生的p n p 管成为低 电源电压工作的瓶颈，另外运放的使用也会带来功耗的增加。由于低压低功耗和小面积需求的日益迫切， 目前学术界已经提出多种不需要使用寄生p n p 管来实现温度补偿的基准源结构【1 3 】【1 9 】【2 0 】，这些结构温度补 偿原理均非带隙补偿原理，比如利用阈值电压的线性负温度系数特性来进行补偿l l 州1 2 叭。特殊结构的基准源 不光可以不使用寄生p n p 管，有些可以不用无源电阻实现【1 9 】【2 0 】，有些甚至可以完全由标准数字c m o s 工 艺实现【3 1 ，使得面积和制造成本大大减小，所以，特殊结构的基准源成了目前基准源的发展趋势。目前在 学术界的研究热点基本都集中于带隙基准源和特殊结构的基准源。表1 1 列出了四种主流技术的优缺点比 较2 9 1 。 综上所述，要实现z i g b e e 接收芯片里的基准源，带隙基准源和特殊结构的基准源是较为合适的选择。 6 东南大学硕士学位论文 表1 1 基准源四种主流技术比较 电源噪声抑 名称 温度系数功耗工艺噪声 制能力 采用齐纳二极管的通过工艺降低 雪崩击穿电压 0 5 p p i l l 不高大比较复杂 噪声 采用结型场效应管 l p p 州 较差一般和c m o s 工艺不兼容一般 有很多方法降 带隙基准源 o 5 p p i i l 高小兼容c m o s 工艺 低噪声 可以完全以c m o s 工有很多方法降 特殊结构的基准源 7 p p 州 较高很小 艺实现低噪声 1 3 基准源的理论基础和国内外研究成果 1 3 1 基准源的理论基础 1 9 7 1 年r j w i d l a r 3 0 1 首次提出了带隙基准电压源的概念，用双极型( b i p o l a r ) 工艺实现了第一个带隙 基准电压源，电路图如图l 一2 所示。图中，电阻r 3 上的压降就是b j t 管q l 和q 2 的基极一发射极电压差v b e 。 因为双极型晶体管的集电极电流表达式为： 却x p ( 因此，我们可以得到： 圳哮) 因此q 2 的集电极电流i c 2 可以用下式表示： 枷毕2 警= 净 ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 其中，v t 是热电压，i c i 和i c 2 分别是q 1 和q 2 的集电极电流，l s l 和i s 2 分别是q 1 和q 2 的反向饱和电流，这个反 向饱和电流与双极型晶体管的发射极面积成正比。忽略q 1 和q 3 的基极一发射极电压之间的误差，假设q l ， q 2 发射极面积比为l ：n ，v b e l - v b e 2 = v b e 3 = v b e ，则r l 和r 2 上的电压降相同，于是可以得到： 枷和慧，= 知警， 8 ， 由于v 1 = k t q ，其中k 为玻尔兹曼常数，t 为绝对温度，因此i c 2 与绝对温度成正比，即为p t a t 电流。图 1 3 所示带隙基准电路的输出基准电压为： = ，+ 七z 是= ，+ 卺- = + 冬巧i n ( 气) ( 1 9 ) 可见式( 1 9 ) 与图1 2 中v r e f 表达式温度补偿的方式一样，是一个带隙基准源。图1 2 所示的w i d l a r 带隙基准电 压源有一个缺点，由于上述推算假设了v b e i = v b e 3 ，其实两者有着微小的差异，这个差异这会在输出引入一 第一章基准源的概述 个误差。1 9 7 1 年，削d i 公司的a p a u lb r o l ( a 、往砌d l a r 基准源的基础上提出了一种改进型的带隙基准源【3 1 1 ， 被称作b r o k 删基准源，电路图如图1 3 所示。它通过一个引入负反馈的运放来稳定工作点来使得r 两端的压 v v 孵 r t v 髓 0 v 旺f 图1 2w d l 盯带隙基准电压源图1 3b r o k a w 带隙基准电压源 降差异相比w m 缸基准源r 1 ，r 2 上的压降差异小的多，这样就大大减小了误差，使得b r o k 聊基准源相比 晰d l a r 基准源有着更高的精度。图l - 3 中，b j t 管q 2 的发射极面积是q 1 的8 倍，这是为了版图设计时的对称 性考虑的。运放的输出作为b 玎管的基极偏置电压，同时也是此带隙基准电路的输出电压，可以用下式表 示： = + 乏h 1 8 ( 1 1 0 ) 由式( 1 1 0 ) 可见，b r o k a w 基准源也是一个带隙基准源。这个结构后来在工业应用非常广泛，很多新的带隙 基准源结构和温度补偿的理论基础都是基于b r o k a w 基准源发展的，也就是说，上文分析的温度补偿原理 的即为带隙基准源的理论基础。w i d l 缸和b r o k a w 提出的两种基准源可以说是基准源发展史上的里程碑。 1 3 2 低温度系数的基准源 图1 2 所示的带隙基准源的温度补偿只补偿了v b e 中的线性项，这种补偿原理叫做一阶温度补偿， 啪d l 盯带隙基准源和b 忉k a w 带隙基准源都属于一阶补偿。但对于有高精度应用要求的场合，如高位数的 模数转换器，就是需要高阶温度补偿3 2 1 。1 9 8 0 年t s i d i s 在文献中对二极管导通电压、r b e 的温度模型进行 了详细推导得到了、r b e 关于温度的精确模型p 3 1 ，其表达式为： ( 丁) ：( r ) 一每) ( z ) 一( z ) 卜( 巧一目) ( 坚) l i l 白 ( 1 1 1 ) ，gl ， 其中t r 为参考温度。n 为与工艺相关的迁移率温度因子，大约为4 左右。o 为集电极电流的温度因子，与 流过二极管的电流温度特性有关。v g ( t ) 为硅的带隙电压，在1 2 5 v 左右。可以清楚的看到，v 雎由一个硅 带隙电压，一个与温度成反比的线性项和一个