臺灣博碩士論文加值系統

摘要
本論文主要目的是研製微功率低電壓能帶隙參考電路設計，以Standard CMOS 0.18μm 1P6M 1.8V的製程實現，操作在低電源電壓VDD=1.5V下，完成了微功率摺疊疊接運算轉導放大器電路、微功率能帶隙參考電壓電路、微功率低能帶隙參考電壓電路，以及微功率能帶隙參考電流電路之設計。本論文詳細記載上述電路的工作原理、設計流程、電路模擬結果，以及晶片驗證流程與量測數據。
在微功率能帶隙參考電壓電路中，使用微功率摺疊疊接運算轉導放大器電路來維持參考電壓電路的端點平衡，經由實際晶片量測，其輸出參考電壓為1.2086V 2.3mV，溫度係數為48.7 ppm/℃，可使用的電源電壓範圍為1.4V-1.8V，電路功率消耗為43.1µW。
在微功率低能帶隙參考電壓電路中，在放大器的部分改使用獨立的偏壓電路與起始電路，以確保放大器的偏壓點不受參考電路之影響。經過實際晶片量測，其輸出參考電壓為603.9mV 1.8mV，溫度係數為72.8 ppm/℃，可使用的電源電壓範圍為1V-1.8V並擁有一個低的電源調節率1.48mV/V，電路功率消耗為49.1µW。在上述的電路中，利用正、負溫度係數的電流相加，可以研製一個微功率能帶隙參考電流電路，並應用在一個不斷開關切換與饋回雜訊的干擾電路中，吾人提出一個新的方法來穩定其參考電流電路。在模擬條件下，可得到參考對電流溫度係數為16 ppm/℃以內。

Abstract

Three micro power low voltage bandgap references are presented. These complete designs were simulated and laid out in a standard digital 0.18-µm 1P6M 1.8V CMOS process and operated at 1.5V power supply. A micro power folded cascode operational transconductance amplifier is also presented for these micro power bandgap references.
A micro power bandgap voltage reference uses a micro power amplifier to keep a balance condition, and provides a 1.2086V 2.3mV bandgap voltage, a temperature coefficient of 48.7 ppm/℃ over a temperature range from 0 to 60℃ from a measured statistics. The operated chips of this reference consume a mean power dissipation of 43.1µW.
Another micro power low bandgap voltage reference uses independent circuits of biasing and start-up in internal amplifier to obtain more reliability, and provides a 603.9mV 1.8mV bandgap voltage, a temperature coefficient of 72.8 ppm/℃ over a temperature range from 0 to 60℃ from a measured statistics. The measured chips can be operated a minimum supply voltage of sub-1V and consume a mean power dissipation of 49.1µW. Moreover, a micro power bandgap current reference utilized a compensated technology of two branch current was presented in this thesis. In a block circuit with a feedback noise issue, the improved bandgap current reference is able to restrain noise feedback and keep current supply stably. In this design, the reference output current is 300µA within a temperature coefficient of 16 ppm/℃.

目錄

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機 3
1-3 設計流程 4
1-4 論文架構 4
第二章 電壓參考電路設計 6
2-1 基本原理 6
2-1-1 傳統能帶隙參考電壓電路 11
2-2 微功率摺疊疊接運算轉導放大器設計 16
2-2-1 電路模擬 20
2-3 微功率能帶隙參考電壓電路設計 22
2-3-1 電路模擬 27
2-3-2 電路佈局 30
2-4 微功率低能帶隙參考電壓電路設計 31
2-4-1 電路模擬 34
2-4-2 電路佈局 37
第三章 電流參考電路設計 38
3-1 微功率能帶隙參考電流電路設計 38
3-1-1 電路模擬 41
3-2 應用於數位類比轉換器 42
3-2-1 電路模擬 44
3-3 應用於電流式脈寬調變電路 45
3-3-1 改良式微功率電流參考電路設計 49
3-3-2 結論 53
第四章 晶片量測與驗證 55
4-1 量測環境 55
4-2 微功率能帶隙參考電壓電路量測結果 57
4-2-1 討論 59
4-3 微功率低電壓能帶隙參考電壓電路量測結果 60
4-3-1 討論 63
4-4 比較 64
第五章 結論與未來展望 65
5-1 結論 65
5-2 未來展望 66
附錄A 蒙地卡羅分析 67
附錄B 建議與答覆 70
參考文獻 75
作者簡介 79


圖目錄

圖1- 1 符合摩爾定律的Intel CPU發展圖 1
圖1- 2 本論文之設計流程 5
圖2- 1 理想參考電壓和電流的V-I特性曲線 6
圖2- 2 傳統的偏壓參考電路 7
圖2- 3 靴帶參考電壓電路 8
圖2- 4 靴帶參考電壓電路之等位點 9
圖2- 5 製程轉折範圍 10
圖2- 6 電源調節率示意圖 10
圖2- 7 能帶隙參考電壓的基本原理 11
圖2- 8 產生一個正溫度係數的電壓 14
圖2- 9 傳統能帶隙參考電壓電路 14
圖2- 10 運算放大器偏移電壓對參考電壓的影響 16
圖2- 11 雙級轉導放大器 16
圖2- 12 雙極性電晶體的VEB對溫度變化 17
圖2- 13 摺疊疊接運算轉導放大器 18
圖2- 14 電晶體MO1的臨界電壓對溫度變化 19
圖2- 15 摺疊疊接運算轉導放大器電路模擬 21
圖2- 16 微功率能帶隙參考電壓電路 22
圖2- 17 微功率能帶隙參考電壓電路(含起始電路) 25
圖2- 18 微功率能帶隙參考電壓電路之等效模型 26
圖2- 19 能帶隙參考電壓對溫度之相關性 28
圖2- 20 微功率能帶隙參考電壓電路之之最小電源電壓模擬 28
圖2- 21 時間領域下的能帶隙參考電壓 29
圖2- 22 微功率能帶隙參考電壓電路之電源拒斥比 29
圖2- 23 微功率能帶隙參考電壓電路之相位邊限 30
圖2- 24 微功率能帶隙參考電壓電路之晶片佈局圖與照相圖 30
圖2- 25 微功率低能帶隙參考電壓電路 31
圖2- 26 微功率低能帶隙參考電壓電路(含起始電路) 33
圖2- 27 低能帶隙參考電壓對溫度之相關性 35
圖2- 28 微功率低能帶隙參考電壓電路之之最小電源電壓模擬 36
圖2- 29 時間領域下的低能帶隙參考電壓 36
圖2- 30 微功率低能帶隙參考電壓電路之電源拒斥比 37
圖2- 31 微功率低能帶隙參考電壓電路之晶片佈局圖與照相圖 37
圖3- 1 參考電流源之設計概念 38
圖3- 2 微功率能帶隙參考電流電路 39
圖3- 3 能帶隙參考電流對溫度之相關性 41
圖3- 4 電流式數位類比轉換器 42
圖3- 5 參考電流電路應用於數位類比轉換器 43
圖3- 6 電流式數位類比轉換器之模擬圖 44
圖3- 7 電流感測之脈寬調變產生電路 46
圖3- 8 低電源電壓的電流感測之脈寬調變產生電路 47
圖3- 9 動態相頻偵測器 48
圖3- 10 環型振盪器 49
圖3- 11 微功率能帶隙參考電流電路受到不斷饋回電荷之影響 50
圖3- 12 受到饋回電荷之微功率能帶隙參考電流電路 50
圖3- 13 增加穩定電路之微功率能帶隙參考電流電路 51
圖3- 14 增加穩定電路後能帶隙參考電流對溫度之相關性 52
圖3- 15 增加穩定電路後改善不斷饋回電荷之影響 53
圖3- 16 脈寬調變的輸出模擬結果 54
圖3- 17 脈寬調變的輸出範圍 54
圖4- 1 晶片量測環境 56
圖4- 2 量測微功率能帶隙參考電壓對溫度的關係 58
圖4- 3 量測微功率能帶隙參考電壓對電源電壓的關係 58
圖4- 4 量測微功率低能帶隙參考電壓對溫度的關係 62
圖4- 5 量測微功率低能帶隙參考電壓對電源電壓的關係 62
圖A- 1 蒙地卡羅分析語法 67
圖A- 2 能帶隙參考電壓之蒙地卡羅分析 68
圖A- 3 低能帶隙參考電壓之蒙地卡羅分析 68
圖B- 1 在0.18µm製程下MOS電晶體的通道調變效應 70
圖B- 2 接上負載的輸出參考電流電路之示意圖 71
圖B- 3 在製程轉折與溫度變化下MOS電晶體的臨界電壓 72
圖B- 4 在製程轉折與溫度變化下MOS電晶體的汲源電壓 73
圖B- 5 在製程轉折與溫度變化下電流鏡的放大倍率 73



表目錄

表2- 1 摺疊疊接運算轉導放大器之設計規格 20
表2- 2 微功率能帶隙參考電壓電路之設計規格 27
表2- 3 微功率低能帶隙參考電壓電路之設計規格 34
表3- 1 微功率能帶隙參考電流電路之設計規格 42
表3- 2 微功率參考電流電路之輸出電流與溫度係數 42
表3- 3 增加穩定電路後微功率參考電流電路之輸出電流與溫度係數 52
表4- 1 已製作IC的資訊 55
表4- 2 量測時所使用的儀器 55
表4- 3 量測微功率能帶隙參考電壓電路之圖表定義 57
表4- 4 微功率能帶隙參考電壓電路之量測結果 59
表4- 5 量測低微功率能帶隙參考電壓電路之圖表定義 60
表4- 6 微功率低能帶隙參考電壓電路之量測結果 63
表4- 7 能帶隙參考電壓電路與其他論文比較 64

參考文獻

[1]http://www.intel.com, Intel corporation, 2006.
[2] Simon M. Sze “Semiconductor Devices: Physics and Technology” 2nd edition, Wiley, 7 September, 2001.
[3] http://wwww.national.com, “LM 75-Digital Temperature Sensor and Thermal WATCHDOG with Two-Wire Interface datasheet,” 2006.
[4] A. Maxim, “A low voltage, 10-2550MHz, 0.15μm CMOS, process and divider modulus independent PLL using zero-VT MOSFETs,” IEEE Solid-State Circuits Conference, ESSCIRC '03. Proceedings of the 29th European, pp. 105-108, Sept. 2003.
[5] Y. YuQing, A. Chokhawala, M. Alexander, J. Melanson, and D. Hester, “A 114-dB 68-mW Chopper-stabilized stereo multibit audio ADC in 5.62 mm2,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, pp. 2061-2068, Dec. 2003.
[6]I. Mehr, and L. Singer, “A 55-mW, 10-bit, 40-Msample/s Nyquist-rate CMOS ADC,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 35 no. 3 pp.318-325, 2000.
[7]http://www.creative.com, Creative corporation, 2006.
[8]Y. Jiang and E. K. F. Lee, “Design of low-voltage bandgap reference using transimpedance amplifier,” IEEE Trans. Circuits Syst. II, vol. 47, pp. 552-555, June 2000.
[9]P. Malcovati, F. Maloberti, M. Pruzzi, and C. Fiocchi, “Curvature compensated BiCMOS bandgap with 1-V supply voltage,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36, pp. 1017-1081, July 2001.
[10]H. Banba, “A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-V operation,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34, pp.670-674, 1999.
[11]G. Giustolisi, “A low-voltage low-power voltage reference based on subthreshold MOSFETs,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 38, pp. 151-154, Jan. 2003.
[12]A. Aldohaiel, A. Yamazaki and M. Ismail, “A Sub-1 Volt CMOS Bandgap Voltage Reference Based on Body-Driven Technique,” The 2nd Annul IEEE Northeast Workshop on Circuits and Systems, pp. 5-8, 2004.
[13]A. J. Annema, “Low-power bandgap reference featuring DTMOST’s,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34, pp. 949-955, July 1999.
[14] B. Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits,” McGraw-Hill, 2001.
[15]Andrea Boni, “Op-amps and startup circuits for CMOS bandgap references with near 1-V supply,” IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 37, pp. 1339-1343, Oct 2002.
[16]Kuok-Hoon Siew, J. Chen, F. Maloberti, “An improved bandgap reference with high power supply rejection,” IEEE International Symposium on Circuits and Systems, vol. 5, pp. 833-836, 2002.
[17]Hou-Ming Chen and Robert C. Chang, “Low power and area effective curvature-compensated CMOS bandgap reference,” 16th VLSI/CAD Symposium, Aug. 2005.
[18]Phillip E. Allen and Douglas R. Holberg, “CMOS Analog Circuit Design,” 2nd edition, New York Oxford, 2002.
[19]Fundamental Theory of PMOS Low-Dropout Voltage Regulations,” Application Report, Texas Instruments, Apr. 1999.
[20]Wen-Yaw Chung and Yeong-Tsair Lin and Jr-Yung Chia, “A Micro Power Low Voltage BandGap Reference,” 16th VLSI/CAD Symposium, Aug. 2005.
[21]Ka Nang Leung, Philip K. T. Mok, “A 2-V 23-µA 5.3-ppm/deg-C Curvature-Compensated CMOS Bandgap Voltage Reference,” IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 38, pp.561-564, Mar 2003.
[22]Fan You, Sherif H. K. Embabi, J. Francisco Duque-Carrillo, Edgar Sanchez-Sinencio, “An Improved Tail Current Source for Low Voltage Applications,” IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 32, no. 8, pp. 1173-1180, Aug. 1997.
[23]A. Vilas Boas and A. Olmos, “A Temperature Compensated Digitally Trimmable On-Chip IC Oscillator with Low Voltage Inhibit Capability,” IEEE ISCAS 2004.
[24]高學武, 吳文慶, 王慧民, “經濟部工業技術人才培訓計畫講義: CMOS A/D及D/A轉換器的設計與測試,” Mar. 2000.
[25]W.G. Bliss, C.E. Seaberg, R.L. Geiger, “A very small sub-binary radix DAC for static pseudo-analog high-precision memory,” Proceedings of the 35th Midwest Symposium on Circuits and Systems, vol.1, pp.425-428, Aug. 1992.
[26]吳朝棟, “應用DSP及FPGA實現無人飛行載具之自動駕駛系統”, 國立成功大學碩士論文, 2002.
[27]X. Zhou, M. Donati, L. Amoroso, F. C. Lee, “Improved light-load efficiency for synchronous rectifier voltage regulator module,” IEEE Trans. On Power Electronics, Vol. 15, No.5, pp. 826-834, Sep. 2000.
[28]江永欣, “彩色被動式有機發光二極體顯示器驅動電路之研究”, 國立台灣大學碩士論文, 2001.
[29]張正文, “可程式化植入式微電刺激器積體電路與系統設計”, 私立中原大學碩士論文, 2004.
[30]D. Dapkus, “Class-D audio power amplifiers: an overview,” Consumer Electronics, 2000. ICCE. Digest of Technical Papers, 2000. International Conference on Circuits and Systems, pp.400-401, June 2000.
[31]Jiann-Jong Chen, Juing-Huei Su and Hung-Yih Lin, “Wide-range High-linearity Pulse-width Modulation Circuits Suitable for Current-mode Controlled Techniques,” VLSI/CAD Symposium, 2004.
[32]林宏育, “脈寬調變電路與電感電流感測電路研製與應用”, 私立龍華科技大學碩士論文, 2004.
[33]Tord Johnson, Ali Fard and Denny Aberg, “An Improved Low Voltage Phase-Frequency Detector with Extended Frequency Capability,” The 24th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, 2004.
[34]Arne E. Buck, Charles L. McDonald, Stephen H. Lewis, T. R. Viswanathan, “A CMOS Bandgap Reference without Resistors,” IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 37, no.1, pp. 82-83, Oct 2002.
[35]許哲維, “利用超取樣介面之溫度感測器積體電路設計與實現”, 私立中原大學碩士論文, 2004.
[36]S. Jinggang, C. Zhiliang and S. Bingxue, “A 1V supply area effective cmos bandgap reference,” Proceedings of the 5th International Conference on ASIC, vol.1, pp.619-622, Oct. 2003.
[37]R. Jacob Baker, Harry W. Li, David E. Boyee, “CMOS Circuit Design, Layout, and Simulation,” New York: IEEE Press, 1998.