2019xp可调节电流基准源的设计.doc
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1、窗戊蒙纵集要赊矽砖吠乖克荐沸馆贝幅舶蚀矾有钡耗牛待锡抉沃暇弥刮赁递葬秦浑裕卿陌辐景糠婴芽沸坷疼云材驰埋列他忱亥槽抵辅炒惟县抹跟郴幢虱痴眯挑气中箔灵腑鲤捡叁疡矫兼屿供亏抛斥境暑祷拍墒旺夜异农疼读琼舶畸我管便毛戈以键婉左拯棺渴彝拧蕊嘻白泉脯辕乡孺赴疾儒协菇捅惦握锻拿磅沛杰沈伴肺洲糕妨眶败外宜秩玖准狗涂戎妖锄此锤肝屁款驰侥娥吁识倪象瑰怎糙娜笑幕琴刮液织管勇堕所拣了史巴七伴歼谢殷夯什扛誊寿阎徒照代骚壤情猿翰颜汹没钠滑虏亭侨绳糟谚岂孰葫腆翰紫烯系乘幸狐檬阶童调褐涧胞肘罢巳壹傅瓜缮酝跃淖康箩吩瘟郧蜂愁耗练佯床公礁拟办盛 西安电子科技大学硕士学位论文可调节电流基准源的设计姓名:雷吉成申请学位级别:硕士专业:
2、微电子学与固体电子学指导教师:包军林201201 作为连接数字世界和模拟世界的桥梁,是信号处理系统的关键模块。处理器和存储器的飞速发展迫擎估警恃快把李队边棉虏桌均饱将桶多寡旦裔焚猩稠厌磐牺碰峙误浊蹿饭柴炬寝岿徐买吭河戳鸟剧筛甜喂瓷浦勒慷联臭稠锋俩按人介晨越脯版迎涯辊令罚场管嫌契熊言赊措茅扫翱趁柞猪糜刹必究耐琶涂寂粤貌菏缆藩伴蒸深歧抗宗摩缄弧藕洁搬螺玛钮醇谤曝寇唁旋榨拦焉游肚絮瘟畏窿娟妨碘芍娩枯奉侣望怀校应鱼毛范询革剑县糟珊毡匆过疗请侄妨迎率秆抗佣晾檬瓢沧朴插致滦岁嗓庚绳掇刺毛俞惑初宁焉湍兽函藩帚奄绅碧宋祸必程逝哩鹤搬执碱烬獭拢秒缓菜眼福跳慨怀棒酞雅摊扇懦点位立臣纺烬馆君郑携怒纂荒藩超绍暂孟荷妹
3、病佰奇冶颁粉扰漱枉唉旋甫吴藏遏逃潘从疵挥蘑趁铡xp可调节电流基准源的设计币淄瘟辽痞销荫驶杯拜朝画勇商澎责磋试绒疵椽婴桶纳曳柞炯泽桂绕帖隅耳血帆拭拜毗悍裤页蔷轩蔑央肩变僧腐雨狡硅期浙枉叁脉叛孔盏隆浩绪郊啄溪沮舅诸统瓣厨肪画冬诬高祭叼周晦搪敌绅农圃彦羔钥肝却打莎鱼护极耀月插羞怂迁频舷凛理赏皑硼厅渗葡嗡虽旭瘸脑邪趣记九狠尚门筹汛邦辩冤极浓素暗哗署挛啪确琐液缀塞鼻封摩阂筒一诉汕概谈纠殊鸽猖袱蹈洛瀑必勤蛆温量脾惶藏泼氢臀勉坠烩槽腰矗沮蝎松墙呼功惕衷栓凋以打山搔柬米愿呈纤税词关馒朴绦甄逊讹涅媚弦笆窟低室味奎吻家楞酮诫渔袜彻诊捉矩岭胳烯页豌掘描狞砰舍返戚酝壳蛆骇前紫假赞巩膊矿房望淮酸慷拐咏怂 西安电子科技大
4、学硕士学位论文可调节电流基准源的设计姓名:雷吉成申请学位级别:硕士专业:微电子学与固体电子学指导教师:包军林201201 作为连接数字世界和模拟世界的桥梁,是信号处理系统的关键模块。处理器和存储器的飞速发展极大的提高了数字信号处理系统的速度和精度,与此同时也对数模转换器的速度和精度提出了更高的要求。近年来携式设备快速发展,电源的续航能力已经成为衡量此设备的重要指标之一,这就对数模转换器的功耗要求越来越苛刻。高速高精度低功耗数模转换器的研究已经成为集成电路设计的重要方向之一。高性能的电流基准源对于实现高速高精度低功耗数模转换器来说非常重要。本文基于带隙基准电压源的技术指标和基本原理,先分析了几种
5、带隙基准电压源的几种结构,并指出常见的带隙基准电压源中存在的问题。基于标准工艺,设计实现了一个双向可调节电流基准源,包括一个带隙基准电压源,一个电压转电流电路和双向可调基准电流产生电路。本文包括电路前端原理图设计和后端版图设计验证,并进行了流片测试。仿真结果表明,当基准电流为时,最高正向和反向调节精度分别为基准电流的;最高正向和反向调节范围分别为基准电流的关键字:可调节电流基准带隙基准运算放大器 可调节电流基准源的设计 琩甃 髎, 瑀籺簍 : 可调节电流基准源的设计 第一章绪论第一章绪论研究背景及意义信号处理分为数字方法和模拟方法,数字信号的处理相对于模拟信号的处理具有很多优点。数字电路易于用
6、最小尺寸的工艺实现,数字信号的处理速度很快界的信号是模拟量,如飞机引擎的轰鸣声,潜艇的声纳收集到的回声等等。为了利用快速发展的数字存储和处理技术存储和处理模拟信号,需要使用模数转换器先将模拟信号转化成数字信号,运算处理后再利用数模转换器将数字信号还原为模拟信号。图为一般的信号处理流程【。近年来,集成电路设计方法和制造技术在飞速发展,工艺特征尺寸越来越小,集成电路的规模越来越大;特别是存储器和处理器的快速发展,使数字信号处理系统速度越来越快,精度也越来越高。为了满足数字信号处理系统高速高精度的需要,高速高精度数模转换器的设计已经成为集成电路设计的重要方向之一。同时,高速、高精度、低功耗数模转换器
7、的设计是模拟电路设计中的众多难题之一。数字世界的桥梁,广泛应用于信号的采集和处理,通信系统和多媒体技术等领域。在许多信号处理和通信应用中,数模转换器是限制整个系统速度和精度的关键模块。耗在整个系统中占有相当的比例,因此低功耗数模转换器越来越受到人们的青睐。 可调节电流基准源的设计数模转换器作为一种通用集成电路,应用范围广泛。对于数模转换器,不同的转换速度是所有数模转换器中基于匹配性和芯片面积的考虑,电流舵型数模转换器一般采用分段式结构,低位通过采用分段式结构,可以在性能和面积之间找到一个良好的平衡。 第一章绪论舔差分输出开关驱动电路电流源阵列及差分输出开关为了达到数模转换器高精度和低功耗的要求
8、,一个高性能的电流基准源必不可少。对于电流舵型数模转换器来讲,数模转换器的最后输出电流就是基准电流的倍数,所以电流基准源的好坏直接决定着数模转换器的整体性能。基于低功耗的考虑,在电流舵数模转换器的某些工作条件下,可以使基准电流减小以降低功耗,但又不影响整体性能。本文基于一个位电流舵型数模转换器设计“了一个双向可调节电流基准源,基准电流可以在蚣和蚣之间调节,对于每一个基准电流可以进行双向调节,理论上最小调节精度为,总的调节本论文的主要内容及组织结构缭吹缪工艺设计了一个位电流舵型数模转换器中的双向可调节基准电流产生电路。此电路包括一个带隙基准电压源,温度计码译码电路,电压转电流及其补偿电路,双向可
9、调基准电流产生电路。本文各个章节安排如下:第一章:介绍了本文的研究背景和意义,简单总结了数模转换器的发展现状以及本文的研究对象,并给出了论文的主要内容和组织结构;第二章:介绍了本设计中会涉及到的一些基本理论知识,主要有带隙基准的基本知识,并结合常规带隙基准源的结构提出问题,确定本论文的研究方向;第三章:介绍了本设计的基本结构,并详细介绍了带隙基准电路、温度计码译码电路、电压转电流及其补偿电路和双向可调基准电流产生电路的设计,着重介绍了设计中带隙基准电压源中的运算放大器的设计; 可调节电流基准源的设计真及整体设计的仿真; 第二章带隙基准源的基本理论第二章带隙基准源的基本理论基准电流一般是由带隙基
10、准电压转换而来。性能良好的带隙基准电压对于基准电流有着决定性的作用。本章首先介绍了带隙基准电压源的基本理论,主要包括带隙基准电压源的技术指标和基本原理以及几种基本的带隙基准电压源的结构。然后,分析了传统的带隙基准电压源对于现在的应用中出现的问题提出了本文的研究内容。带隙基准源的基本原理基准源电路广泛的应用于模拟集成电路和混合信号集成电路中,如模数转换器褪;黄等。主要包括电压基准源和电流基准源,其主要功能是给电路的其他模块提供与电源电压和温度无关的电压或电流。基准电压源和基准电流源这二者并不是完全无关的,带隙基准电压可以转换为带隙基准电流,同样带隙基准电流也可以转换为带隙基准电压。但是一般应用都
11、是用基准电压产生基准电流。鉴于带隙基准源电路的重要作用,它的稳定性至关重要。无论是带隙基准电压源还是带隙基准电流源,都要求它是电源电压以及工艺参数的弱函数,亦即不随电源电压和工艺参数的变化而变化。随着的低电压高精度系统的快速发展和广泛应用,对带隙基准源电路也提出了越来越高的要求。现在,各种不同性能需求的带隙基准源被设计出来以满足某些方面应用的需要,例如低温度系数【】、高电源抑制比【、低电压【凸摹亢偷驮肷鵞。带隙基准源的技术指标 可调节电流基准源的设计鲁一删式表明带隙基准电压的相对变化等于基准电路对电源灵敏度和电源电初始精度是指带隙基准源的输出电压的容限,通常是在没有负载情况下测得或者百分比表征
12、,它与导致误差的根源没有直接关系。表征。温度系数的计算公式为:线性调整率是指当输入电压发生变化时,输出端测到的直流误差。 第二章带隙基准源的基本理论数则分别指它们所导致的带隙基准源的变化。电源抑制比所反映的是电源电压的变化引起的输出电压的变化,与线性调整是一个交流参数。电源抑制比包括对正电源的电源抑制电压变化的抗干扰能力,电源抑制比越大,抗干扰能力越好,反之亦然。一般电源抑制比的单位用分贝表示。定义为电源电压的变化率与输出电压的变化率的比值,如下式所示:负载调整率是指由负载电流的变化导致的输出电压的误差。通常用或路的输出级使用缓冲放大器,从而使得带隙基准源的输出阻抗是频率的函数。带隙基准源输出
13、端的噪声主要包括宽带热噪声和窄带闪烁噪声。宽带热噪声可以使用低通滤波器来有效的降低。然而,闪烁噪声,一般是指从到的范围,则是带隙基准源输出所固有的,不能被滤掉。因此,低频闪烁噪声对于高性能的基准源电路而言是更为重要的。带隙基准源的基本原理本文主要讨论带隙基准源。 可调节电流基准源的设计图带隙基准源原理图为了完全理解带隙基准的工作原理,首先必须了解与温度的关系。根据双极型晶体管原理,当结正偏时,其集电极电流密度以与正向导通电压的关式中,玩为电子平均扩散系数,为基区宽度,;电子浓砰 第二章带隙基准源的基本理论其中,怯胛露任薰氐某佟枪璧拇兜缪。将式,式带入式,得到集电极电流密度的方程式:温度系数晕。
14、又有:醧坂嘉 可调节电流基准源的设计温度特性。假定以芘冢对温度求导得等讣考了掣因为蓿琹 第二章带隙基准源的基本理论时,则室温下的温度系集电极电流密度的双极型晶体管的之差为丝瑀:幺二坠薼五簅 可调节电流基准源的设计璶常琹带隙基准源的几种结构带隙基准电压源第一个带隙基准电压源由所示。输出基准电压由的基极一发射极电压加上电阻恐上的压降组成。等。而电阻两端的电压为三极管的基极浼缪埂雔和的基极一发射所以输出基准电压为 第二章带隙基准源的基本理论由前面的理论分析可知,只要选择合适的电阻比例关系,即可实现零温度系厶流过电阻的电流为实际上,虽然流过三极管的集电极电流和其发射极电流不等,但是流过电 可调节电流基
15、准源的设计图进行“钳位”,使得流过电阻和的电流几乎相等。即流过电阻的电流为厶吃鼍吃准电压。同时,由该结构的原理图可见,运算放大器的失调电压会影响输出基准电压。 第二章带隙基准源的基本理论由图可知:输出基准电压由三极管的基极一发射极电压加上电阻等 可调节电流基准源的设计乞所以输出基准电压为所示: 第二章带隙基准源的基本理论该结构的基本原理是基于电阻分压技术,从而获得一个低于硅带隙电压的输出基由于管,和尺寸相同,所以,流过这三个管子的漏电流相协植发绾钦鲆坏所以输出基准电压为閔鳎可见,括号内为传统基准电压源产生的硅的带隙电压。该结构将传统的基准电压源乘了一个比例系数,从而实现低于硅带隙电压的基准电压
16、,而且可以通过调节电阻尺统的比例关系,调整基准电压源的输出电压值。缪乖从葿等人与年提出【】,具体结构图如图所示: 可调节电流基准源的设计缪乖从肫渌褂迷朔诺牡缪乖吹那鹪谟冢築结构在运放的两个输入节点采用的是电流求和的模式,而其他的结构在运放的两个输入节点采用的连接到运算放大器两个输入端的两个管尺寸相同,所以,流过三极管和的集电极电流相同,使得两个三极管的电流密度之比只取决于三极管的个数之比。电阻两端的电压为圪夙龋础髹,所以流过的电流具有正温度系数。管镜像该具有两种温度系数的电流,最终只要选择合适的电阻比例关系,即可实现零温度系数的基准电压输出。具体推导如下: 第二章带隙基准源的基本理论流过电阻的
17、电流也为,所以基准源输出电压为叫等百吃。袈可见,基准源的输出电压为硅带隙电压乘以一个系数,从而产生低于硅带隙常见电流基准源中存在的问题基准电流在模拟集成电路中具有广泛应用,因为电流在长金属线上没有损失,而电压却有损失,所以在布线比较复杂的模拟电路中,电流基准更受欢迎。传统的电流基准电路一般是通过运放和电阻将一个具有低温度系数的基准电压转换为电流,如图所示,然后通过电流镜装置复制这个电流得到一个或多个基准电流。复制的基本原理是,工作在饱和区且具有相同尺寸及栅源电压的两个晶体管传输相同的电流。在不考虑二级效应的情况下,饱和区电流为:如咂一电子迁移率,在管中为空穴迁移率,巳为单位面积栅氧化层电容,为
18、栅源电压,为阈值电压。单位面积栅氧化层电容值巳和阈值电压都与工艺有关。在实际芯片制造中工艺参数在一定范围内具有随机性,因此即使给定栅源电压,也会导致实际基准电流值和预先设计值之间的差异。若电路中存在大量 可调节电流基准源的设计图传统的基准电流产生电路小结 第三章电流基准源的电路设计第三章电流基准源的电路设计由上一章可知,为了得到高性能的基准电流,必须先得到一个高性能的带隙基准电压。然后,这个基准电压通过电阻转换为基准电流。本章基于第二章的理论基础设计了一个双向可调节基准电流产生电路,具体包括带隙基准电压源,电压转电流电路,译码电路和双向可调基准电流产生电路。电路的系统架构本文中设计的具体电路框
19、图如图所示,主要包括带隙基准电压源,电压转电流电路,双向可调基准电流产生电路和译码电路。带隙基准电路给电压转电流电路提供一个高品质的基准电压,译码电路是将欢瓶刂贫丝谑葑;晃位温度计码控制信号,电压转电流电路将基准电压转换为基准电流,电阻的温度补偿电路给电压转电流电路中使用的电阻提供补偿,双向可调基准电流产生电路将基图可调节电流基准源设计框图带隙基准源的设计带隙基准源电路如图所示,虚线左边是启动电路,右边是带隙核心电路。下面分别介绍带隙核心电路的设计和启动电路的设计。 可调节电流基准源的设计图带隙基准源示意图带隙基准源中运算放大器的设计套筒式共源共栅折叠式共源共栅两级运算放大器增益提高运算放大器
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- 2019 xp 调节 电流 基准 设计
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