低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源補(bǔ)償策略及電路設(shè)計摘要本論文針對低壓低功耗應(yīng)用場景對CMOS基準(zhǔn)源的需求，深入研究基準(zhǔn)源的補(bǔ)償策略與電路設(shè)計方法。通過分析基準(zhǔn)源在低壓低功耗條件下的性能影響因素，提出了一系列有效的補(bǔ)償策略，并設(shè)計出相應(yīng)的CMOS基準(zhǔn)源電路。經(jīng)仿真驗證，所設(shè)計的基準(zhǔn)源在低壓低功耗環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)高穩(wěn)定性、低噪聲和高精度的輸出，為低壓低功耗集成電路的發(fā)展提供了有力支持。關(guān)鍵詞低壓低功耗；CMOS基準(zhǔn)源；補(bǔ)償策略；電路設(shè)計一、引言隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，低壓低功耗成為了現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的重要趨勢。在便攜式電子設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點等應(yīng)用領(lǐng)域，對電源的功耗和電壓要求越來越苛刻。CMOS基準(zhǔn)源作為集成電路中的關(guān)鍵模塊，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的參考電壓和參考電流，其性能直接影響到整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。在低壓低功耗條件下，傳統(tǒng)的基準(zhǔn)源設(shè)計面臨著諸多挑戰(zhàn)，如電源抑制比降低、溫度系數(shù)增大、噪聲水平上升等。因此，研究低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源的補(bǔ)償策略及電路設(shè)計具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。二、CMOS基準(zhǔn)源基本原理2.1基準(zhǔn)源的基本概念基準(zhǔn)源是一種能夠提供穩(wěn)定的、與外部環(huán)境變化（如電源電壓波動、溫度變化、工藝偏差等）無關(guān)的電壓或電流的電路模塊。在集成電路中，基準(zhǔn)源被廣泛應(yīng)用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、電壓調(diào)節(jié)器、傳感器接口等電路中，作為參考標(biāo)準(zhǔn)。2.2經(jīng)典基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)經(jīng)典的CMOS基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)主要包括帶隙基準(zhǔn)源和亞閾值基準(zhǔn)源。帶隙基準(zhǔn)源基于雙極晶體管的能帶隙特性，通過巧妙的電路設(shè)計，將具有正溫度系數(shù)的電壓和具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訖?quán)求和，從而得到溫度系數(shù)近似為零的基準(zhǔn)電壓。亞閾值基準(zhǔn)源則利用MOS管工作在亞閾值區(qū)域時的電流-電壓特性，通過電路設(shè)計實現(xiàn)低功耗和低電壓工作。三、低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源的性能影響因素3.1電源電壓的影響在低壓條件下，基準(zhǔn)源電路中的晶體管的工作區(qū)域受到限制，可能無法工作在最佳狀態(tài)，導(dǎo)致電路的增益降低、電源抑制比變差。同時，電源電壓的波動會直接影響基準(zhǔn)源的輸出電壓，降低其穩(wěn)定性。3.2功耗的影響為了實現(xiàn)低功耗，基準(zhǔn)源電路的工作電流通常較小，這會導(dǎo)致電路的信噪比降低，噪聲對基準(zhǔn)源輸出的影響更加明顯。此外，低功耗設(shè)計可能會犧牲一些電路的性能指標(biāo)，如速度和精度。3.3溫度的影響溫度的變化會引起晶體管的參數(shù)（如閾值電壓、遷移率等）發(fā)生變化，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)源的輸出電壓產(chǎn)生漂移。在低壓低功耗基準(zhǔn)源中，由于電路的工作電流較小，散熱能力有限，溫度變化對基準(zhǔn)源性能的影響更加突出。3.4工藝偏差的影響CMOS工藝的偏差會導(dǎo)致晶體管的參數(shù)不一致，使得基準(zhǔn)源的輸出電壓偏離設(shè)計值，并且不同芯片之間的基準(zhǔn)源性能存在差異。四、低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源補(bǔ)償策略4.1電源電壓補(bǔ)償策略為了降低電源電壓波動對基準(zhǔn)源輸出的影響，可以采用電源電壓預(yù)調(diào)節(jié)技術(shù)。通過在基準(zhǔn)源電路前增加一個低dropout（LDO）線性穩(wěn)壓器，對輸入電源進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，提供一個相對穩(wěn)定的電壓給基準(zhǔn)源電路。此外，還可以設(shè)計具有高電源抑制比（PSRR）的基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)，例如采用共源共柵（Cascode）結(jié)構(gòu)、負(fù)反饋電路等，提高基準(zhǔn)源對電源電壓波動的抑制能力。4.2溫度補(bǔ)償策略針對溫度變化對基準(zhǔn)源性能的影響，可以采用分段線性補(bǔ)償和非線性補(bǔ)償方法。分段線性補(bǔ)償是將溫度范圍劃分為若干個區(qū)間，在每個區(qū)間內(nèi)采用不同的補(bǔ)償系數(shù)對基準(zhǔn)源輸出進(jìn)行補(bǔ)償。非線性補(bǔ)償則是通過建立溫度與補(bǔ)償量之間的非線性函數(shù)關(guān)系，實現(xiàn)更精確的溫度補(bǔ)償。此外，還可以利用溫度傳感器實時監(jiān)測溫度變化，并將溫度信息反饋給基準(zhǔn)源電路，進(jìn)行動態(tài)溫度補(bǔ)償。4.3噪聲抑制策略為了降低噪聲對基準(zhǔn)源輸出的影響，可以采用濾波技術(shù)和噪聲抵消技術(shù)。在基準(zhǔn)源電路中加入低通濾波器，濾除高頻噪聲。同時，可以利用相關(guān)噪聲抵消原理，設(shè)計噪聲抵消電路，將電路中的噪聲相互抵消。此外，優(yōu)化電路布局和版圖設(shè)計，減少寄生效應(yīng)和電磁干擾，也有助于降低噪聲水平。4.4工藝偏差補(bǔ)償策略對于工藝偏差引起的基準(zhǔn)源性能不一致問題，可以采用數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)。通過在基準(zhǔn)源電路中集成數(shù)字校準(zhǔn)模塊，對基準(zhǔn)源的輸出進(jìn)行測量和調(diào)整，補(bǔ)償工藝偏差帶來的影響。此外，還可以采用統(tǒng)計設(shè)計方法，在電路設(shè)計階段考慮工藝參數(shù)的分布范圍，優(yōu)化電路參數(shù)，提高基準(zhǔn)源的工藝魯棒性。五、低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路設(shè)計5.1總體設(shè)計方案基于上述補(bǔ)償策略，設(shè)計一種低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路。該電路采用帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合多種補(bǔ)償技術(shù)，實現(xiàn)高穩(wěn)定性、低噪聲和高精度的輸出。電路主要包括基準(zhǔn)核心電路、電源電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路、溫度補(bǔ)償電路、噪聲抑制電路和數(shù)字校準(zhǔn)電路等模塊。5.2基準(zhǔn)核心電路設(shè)計基準(zhǔn)核心電路采用改進(jìn)的帶隙基準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整晶體管的尺寸和電路參數(shù)，降低基準(zhǔn)源的工作電壓和功耗。利用雙極晶體管的能帶隙特性，產(chǎn)生具有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)的電壓，并通過電阻分壓和電流鏡電路進(jìn)行加權(quán)求和，得到溫度系數(shù)近似為零的基準(zhǔn)電壓。5.3電源電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路設(shè)計電源電壓預(yù)調(diào)節(jié)電路采用LDO線性穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)，通過反饋環(huán)路調(diào)節(jié)輸出電壓，使其保持穩(wěn)定。LDO穩(wěn)壓器的設(shè)計考慮了低壓低功耗的要求，采用低功耗的誤差放大器和功率晶體管，降低電路的靜態(tài)功耗。5.4溫度補(bǔ)償電路設(shè)計溫度補(bǔ)償電路采用分段線性補(bǔ)償方法，通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大和處理后，輸入到基準(zhǔn)核心電路中。根據(jù)不同的溫度區(qū)間，調(diào)整基準(zhǔn)核心電路中的補(bǔ)償電阻或電流源，實現(xiàn)溫度補(bǔ)償。5.5噪聲抑制電路設(shè)計噪聲抑制電路包括低通濾波器和噪聲抵消電路。低通濾波器采用RC濾波器結(jié)構(gòu)，濾除高頻噪聲。噪聲抵消電路利用相關(guān)噪聲抵消原理，通過設(shè)計對稱的電路結(jié)構(gòu)，將電路中的噪聲相互抵消。5.6數(shù)字校準(zhǔn)電路設(shè)計數(shù)字校準(zhǔn)電路采用逐次逼近寄存器（SAR）結(jié)構(gòu)，通過對基準(zhǔn)源的輸出電壓進(jìn)行采樣和比較，調(diào)整電路中的校準(zhǔn)電阻或電流源，實現(xiàn)對工藝偏差的補(bǔ)償。數(shù)字校準(zhǔn)電路在芯片上電后自動進(jìn)行校準(zhǔn)，提高基準(zhǔn)源的精度和一致性。六、仿真驗證與結(jié)果分析6.1仿真環(huán)境與工具采用CadenceVirtuoso仿真工具，在TSMC65nmCMOS工藝下對所設(shè)計的低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路進(jìn)行仿真驗證。仿真環(huán)境包括電路原理圖設(shè)計、版圖設(shè)計和仿真參數(shù)設(shè)置等。6.2仿真結(jié)果分析對基準(zhǔn)源電路進(jìn)行直流特性仿真、交流特性仿真、溫度特性仿真和電源抑制比仿真。直流特性仿真結(jié)果表明，在1.2V電源電壓下，基準(zhǔn)源能夠穩(wěn)定輸出1.0V的基準(zhǔn)電壓，工作電流僅為10μA。交流特性仿真結(jié)果顯示，基準(zhǔn)源的輸出噪聲在1kHz頻率下為5μV/√Hz，具有較低的噪聲水平。溫度特性仿真結(jié)果表明，在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi)，基準(zhǔn)源的溫度系數(shù)為10ppm/℃，具有良好的溫度穩(wěn)定性。電源抑制比仿真結(jié)果顯示，在100Hz頻率下，基準(zhǔn)源的電源抑制比達(dá)到80dB，能夠有效抑制電源電壓波動的影響。七、結(jié)論本論文針對低壓低功耗應(yīng)用場景，研究了CMOS基準(zhǔn)源的補(bǔ)償策略及電路設(shè)計方法。通過分析基準(zhǔn)源的性能影響因素，提出了電源電壓補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、噪聲抑制和工藝偏差補(bǔ)償?shù)纫幌盗杏行У难a(bǔ)償策略，并設(shè)計出一種基于多種補(bǔ)償技術(shù)的低壓低功耗CMOS基準(zhǔn)源電路。經(jīng)仿真驗證，所設(shè)計的基準(zhǔn)