高性能皮瓦级CMOS电压基准源的设计

摘要

随着物联网和便携式电子产品的快速发展，电子产品的小型化和长续航对于集成电路的低功耗要求不断增高。如在植入式医疗电子设备、无线射频识别（RFID）、军事监测单元等传感系统中，其待机模式和活动模式下要求皮瓦到纳瓦的功耗，这意味着系统中的各模块都面临着超低功耗的设计挑战。电压基准源是系统各模块（ADC、DAC以及LDO等）中的重要子电路，它在待机模式下仍会一直工作，并且它的性能与系统的整体性能息息相关。因此当前大量的研究致力于超低功耗（如皮瓦级功耗）电压基准源的设计。 本论文设计了三款基于标准CMOS工艺的皮瓦级电压基准源电路。本文的写作重点是基于标准CMOS工艺，具有超高线性调整性能和电源抑制性能的皮瓦级基准电路设计。 文章首先对当前研究领域里为数不多的四款传统皮瓦级基准电路进行分析。通过对这四款电路的性能进行比较分析，得出关于传统皮瓦级基准电路的两个重要结论：比起传统带隙基准电路，当前传统皮瓦级基准电路在功耗和面积方面有着优越的性能表现，但是在温度稳定性、线性调整性能和电源抑制比（PSRR）性能方面的表现很差；当前传统皮瓦级基准电路的实现主要依赖于特殊工艺技术，这是限制其广泛应用于超低功耗物联网系统的一个重要因素。 接着针对传统皮瓦级基准电路的不足，设计了一款新型的基于标准CMOS工艺皮瓦级基准电路。结合传统皮瓦级基准电路和传统带隙基准电路的基本原理，提出一种新型的皮瓦级基准电路模型，基于该电路模型设计的皮瓦级基准电路不仅能与标准CMOS工艺完全兼容，实现33.3pW功耗的同时，还具有较好的温度稳定性（32.7ppm/°C），与当前该领域唯一一款基于标准CMOS工艺的传统皮瓦级基准电路相比，该电路温度稳定性大约提升了4400%。 之后在该电路的基础上，提出了两种不同的电路结构（预稳压电路结构和自稳压电路结构），设计了两款高性能（超高线性调整性能和电源抑制性能）皮瓦级基准电路。利用VIS0.18μm工艺技术，给出了这两种电路的实现方式。仿真结果表明，这两款电路实现了较高的整体性能，不仅能与标准CMOS工艺完全兼容，实现皮瓦级功耗的同时还具有优越的线性调整性能和电源抑制性能。其中自稳压基准电路在电源电压1V时的功耗为118.4pW，温度稳定性为83.2ppm/°C，线性调整率为0.4ppm/V，100Hz频率处的PSRR为-76dB。与当前传统皮瓦级基准电路相比，自稳压皮瓦级基准电路的线性调整性能提高了大约825倍，PSRR性能提高了大约400%。

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