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1、华中科技大学 硕士学位论文 纯CMOS参考源电路的设计 姓名：孙丽娟 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：邹雪城 20070128 摘 要 参考源电路（Reference Circuit）是一个重要的单元模块，广泛应用于各种模拟集 成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片（SoC)中。本论文基于 CSMC 0.6 m 标准数字 CMOS 工艺技术，采用亚阈值 MOSFET 设计纯 CMOS 基准参考源电路,具 有一定创新性和先进性。 本论文的研究工作主要包括三方面内容，即亚阈值 MOSFET 基准参考源电路模 型的研究、具有曲率补偿的高性能亚阈值 MOSFET 电流模基
2、准参考源电路的设计和 亚阈值 MOSFET 基准参考源电路的工艺误差修正，版图设计及后仿真验证。 对于亚阈值MOSFET基准参考源电路模型的研究。 首先基于CMOS器件结构和影响 MOSFET阈值电压的因素，总结出MOSFET阈值电压的表达式，并定性地分析了 MOSFET阈值电压的温度特性。 接下来根据亚阈值电流方程， 先从理论上分析了亚阈值 MOSFET栅源极电压的温度特性，然后采用CSMC 0.6 m 标准CMOS数字逻辑工艺技 术模型加以验证，得出：亚阈值MOSFET的电流-电压特性满足准指数关系，并且亚阈 值MOSFET栅源极电压VGS的温度特性与BJT基极发射极电压VBE的温度特性类
3、似。 从 而获得设计纯CMOS亚阈值基准参考源电路的所必需的理论依据。 对于亚阈值 MOSFET 基准参考源电路的设计。首先，使用工作在亚阈值区的 NMOSFET 取代寄生双极型晶体管，设计了简单的亚阈值 MOSFET 电流模基准参考 源电路。然后，在讨论传统 BJT 带隙参考源曲率补偿方法的基础上，提出了适合亚阈 值 MOSFET 电流模基准电路的温度补偿策略。最后，设计了一款具有高阶温度曲率 补偿的高性能亚阈值 MOSFET 基准参考源电路。 对于亚阈值 MOSFET 基准参考源电路的误差修正、版图设计及后仿真验证。在介 绍常用电阻微调技术的基础上，提出了适合亚阈值 MOSFET 基准参考
4、源电路的误差修 正方案。然后，给出了亚阈值 MOSFET 基准参考源电路的版图设计及后仿真结果。 关键词：基准参考源电路，亚阈值电压，温漂系数，曲率补偿，微调技术，版图设计 I Abstract Reference circuit is an important module in the integrated circuit that has been widely used in various analog IC、digital-analog mixed signal IC and SoC. In this thesis, a pure CMOS high-precision refer
5、ence circuit is designed based on the sub-threshold MOSFET with the CSMC 0.6 m standard digital CMOS process technology, which presents great creativities and progresses. The contents of this thesis mainly includes the following three aspects: the study of reference circuit model based on sub-thresh
6、old MOSFET, the design of good-performance sub-threshold MOSFET reference circuit with high-order curvature compensation and the correction of process deviation, layout design and post-simulation verification for sub-threshold MOSFET reference circuit. Refer to the study of sub-threshold MOSFET refe
7、rence circuit model. First, based on CMOS device structure and factors influencing MOSFET threshold voltage, the expression and temperature characteristic of MOSFET threshold voltage is concluded and analyzed. Then, on the basis of the expression for sub-threshold MOSFET current equation, the temper
8、ature characteristic of VGS is theoretically analyzed and simulated by CSMC 0.6m standard digital CMOS process technology, therefore deducing that: the relationship of VGS and IDS for MOSFET operating in sub-threshold region is quasi-exponent and the temperature characteristic of VGS for sub-thresho
9、ld MOSFET is similar to that of VBE for Bipolar. And hence the theoretical foundations for design of sub-threshold MOSFET reference circuit are received. Refer to the design of the sub-threshold MOSFET reference circuit. First of all, simple sub-threshold MOSFET reference circuit is designed by subs
10、tituting parasitic BJT with NMOSFET operating in sub-threshold region. Then, based on the study of curvature compensation for BJT bandgap reference, the principle of high-order temperature compensation suitable for sub-threshold MOSFET reference circuit is presented. Finally, a novel sub-threshold M
11、OSFET voltage reference circuit emphasizing on good temperature performance has been designed. II Refer to the correction of process deviation, layout design and post-simulation verification for sub-threshold MOSFET reference circuit. First, the method suitable for trimming sub-threshold MOSFET refe
12、rence circuit to correct the process deviation is provided. Then, layout design and post-simulation verification for the proposed high-performance sub-threshold MOSFET reference circuit is presented. Keywords：Reference Circuit, Sub-threshold Voltage, Temperature Coefficient, Curvature Compensation,
13、Trimming Technique, Layout Design III 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华
14、中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 1 绪 论 微电子技术发展到今天， 居于主导地位的两种工艺是 Bipolar 技术和 CMOS 技术。 CMOS 技术凭借功耗低、器件面积小、集成度高等优点，加之 CMOS 器件尺寸的按 比例缩小能够使 MOSFET 速度不断提高，已成为模拟集成电路设计中的主流工艺。 由于集成电路的发展一直遵循着“摩尔定律”和“按比例缩
15、小定律”，使得集成电路在规 模和性能成倍提高的同时，可以保持成本的稳定，因而集成电路产品的更新换代能够 迅速地为市场所接受，并成为集成电不断路发展的主要动力。在这一背景下，基于主 流 CMOS 工艺技术的各种高精度高性能模拟电路受到了人们的广泛关注。 其中， 基准 参考源作为一个重要而不可缺少的模块被广泛应用于各种模拟集成电路，并日益成为 当前集成电路技术中的一个重要研究领域。采用主流 0.6 m 标准 CMOS 工艺技术研 究设计纯 CMOS 基准源电路，具有一定的先进性和实际应用价值。 1.1 CMOS 基准参考源的应用背景 近年来,随着 CMOS 半导体工艺制造技术的进步，模拟集成电路设
16、计技术得到空 前发展，通信类电子和消费类电子快速普及，并具有广泛的市场潜力和持续的增长动 力。随着电路系统结构的日益复杂化，对模拟电路的性能，诸如工作电压、功耗、精 度和速度等提出了越来越高的要求。例如在便携式电子产品市场需求的强劲驱动下， 要求作为模拟集成电路核心的基准参考源电路具有高精度，高稳定性等。 基准参考源是用做基准的精确、稳定的电压源或电流源，广泛应用于多种电路结 构中，包括偏置电路，数模转换器(DAC）,模数转换器（ADC）和锁相环（PLL）等。 任何模拟、数字或者数模混合电路，都需要基准参考源，不论是电压形式，电流形式 或是频率形式。如果不能设计出性能良好的基准参考源电路，那么整个电路或系统就 不能正确有效地完成预定功能。下面就以基准源在 ADC/DAC 信号处理系统以及电源 管理芯片中的典型应用为例进行具体说明。 1 随着通信、多媒体和计算机技术的快速发展，信号处理应用于工业自动化的各个 领域。众所周知，现代工艺水平下，数字电路以其集成度高，成本低和速度快等优势 在诸多功能方面取代了模拟电路
