臺灣博碩士論文加值系統

本論文提出了互補式金氧半導體參考電流源及參考電壓源設計。其中參考電流源的主要架構是利用傳統電流源為基礎，產生兩個具有不同大小之正電源電壓係數電流源，並使較小的係數減去較大的係數，以產生一負電源電壓係數之電流源，且具有負溫度係數之特性，利用具有正電源係數及正溫度係數之傳統電流源，與前述所產生之負電源係數及負溫度係數電流源相加，使其與電源電壓及溫度變動低相關性。
本論文所提出的參考電壓源有別於傳統帶差參考電路，可產生低於1伏特以下的參考電壓，主要架構是分別產生正負溫度係數的參考電壓再加以調整後輸出，首先，利用兩個雙載子電晶體偏壓輸入至差動放大器，利用轉阻及轉導的反函數概念，並調整電晶體長寬使輸出電壓與兩個二極體電壓差成放大正比的關係，故具有正溫度係數；其次再利用其中一個雙載子電晶體偏壓輸入至差動放大器，調整電晶體長寬使輸出電壓與二極體偏壓成縮小正比的關係，故具有負溫度係數，最後經過調整電路再放大正溫度係數，進一步抵消負溫度係數，及達到與溫度變化低相關之特性。

This paper presents some new circuits including CMOS circuit reference and voltage reference.
The architecture of the current references is produced not only by adding a positive supply voltage coefficient current reference and a negative supply voltage coefficient current reference to cancel out the supply voltage variations but also by adding a positive temperature coefficient current reference and a negative temperature coefficient current reference to cancel out the temperature variation. About the negative supply voltage coefficient current reference, we can product it by subtracting two current references with different positive supply voltage coefficient.
This paper also presents a sub-1v voltage reference, which is different from the traditional bandgap reference. The main architecture of the voltage reference is composed of a positive temperature coefficient voltage reference and a negative temperature coefficient voltage reference. At first, by putting two different bias voltage of the bipolar junction transistors into the differential pair and adjusting the transistor size, we can obtain a voltage reference with a positive temperature coefficient; Secondly, by putting a ground voltage and a bias voltage of the bipolar junction transistors into the differential pair and adjusting the transistor size, we can obtain a voltage reference with a negative temperature coefficient. Finally, by putting the positive coefficient voltage reference and the negative temperature coefficient voltage reference into the differential pair and adjusting the transistor size, we can obtain a voltage reference with less sensitive to temperature variation.

目 錄
中文摘要 ………………………………………………………………… i
英文摘要 ………………………………………………………………… ii
誌 謝 ………………………………………………………………… iii
目 錄 ………………………………………………………………… iv
圖 目 錄 ………………………………………………………………… v
表 目 錄 ………………………………………………………………… vii
一、 緒論…………………………………………………………… 1
1.2 研究動機……………………………………………………… 2
1.3 研究方法……………………………………………………… 5
二、 互補式金氧半導體參考電流源設計………………………… 6
2.1 傳統參考電流源……………………………………………… 6
2.2 新式參考電流源……………………………………………… 9
2.3 實驗結果……………………………………………………… 19
三、 互補式金氧半導體參考電壓源設計………………………… 24
3.1 電壓源之理論架構…………………………………………… 24
3.2 新式參考電壓源……………………………………………… 26
3.3 實驗結果 35
四、 晶片與量測儀器……………………………………………… 40
4.1 實際晶片……………………………………………………… 40
4.2 儀器設備……………………………………………………… 43
五、 結論…………………………………………………………… 45
參考文獻 ………………………………………………………………… 47
作者簡介 ………………………………………………………………… 50
圖目錄
圖2.1 傳統電流源…………………………………………………… 6
圖2.2 傳統電流源之小信號模型…………………………………… 7
圖2.3 傳統電流源對電源變動關係………………………………… 8
圖2.4 傳統電流源對溫度變動關係………………………………… 8
圖2.5 新式電流源基本架構圖……………………………………… 9
圖2.6 啟動電路……………………………………………………… 10
圖2.7 供應電源與C點模擬比較…………………………………… 11
圖2.8 供應電源與C點量測結果…………………………………… 11
圖2.9 負電源電壓、負溫度係數電流源架構圖…………………… 12
圖2.10 正電源電壓係數電流源1…………………………………… 13
圖2.11 參考電流源對電源變動關係………………………………… 14
圖2.12 負電源電壓係數電流源……………………………………… 15
圖2.13 負電源電壓係數電流………………………………………… 16
圖2.14 負溫度係數電流……………………………………………… 16
圖2.15 組合電路……………………………………………………… 17
圖2.16 與電源電壓變動低相關之電流……………………………… 18
圖2.17 與溫度變動低相關之電流…………………………………… 18
圖2.18 傳統電流源晶片圖…………………………………………… 19
圖2.19 傳統電流源對電源關係……………………………………… 19
圖2.20 測量方式……………………………………………………… 20
圖2.21 傳統電流源對溫度變動關係………………………………… 20
圖2.22 負電源負溫度參考電流源晶片圖…………………………… 21
圖2.23 負電源電壓係數電流源……………………………………… 21
圖2.24 負溫度係數電流源…………………………………………… 22
圖2.25 與電源電壓變動低相關之電流源…………………………… 23
圖2.26 與溫度變動低相關之電流源………………………………… 23
圖3.1 CMOS帶差參考電壓源……………………………………… 24
圖3.2 改良式參考電壓源方塊圖…………………………………… 26
圖3.3 參考電流源…………………………………………………… 27
圖3.4 正溫度係數參考電壓源……………………………………… 28
圖3.5 與電源電壓變動關係………………………………………… 29
圖3.6 與溫度變化關係……………………………………………… 29
圖3.7 負溫度係數電壓源…………………………………………… 30
圖3.8 與電源電壓變動關係………………………………………… 31
圖3.9 與溫度變化關係……………………………………………… 31
圖3.10 溫度調節電路………………………………………………… 32
圖3.11 調整溫度係數後對電源電壓變動關係……………………… 33
圖3.12 調整溫度係數後對溫度變動關係…………………………… 34
圖3.13 正溫度係數電壓源晶片圖…………………………………… 35
圖3.14 與電源電壓變動關係圖……………………………………… 35
圖3.15 與溫度變動關係圖…………………………………………… 36
圖3.16 負溫度係數電壓源晶片圖…………………………………… 36
圖3.17 與電源電壓變動關係圖……………………………………… 37
圖3.18 與溫度變動關係圖…………………………………………… 37
圖3.19 與電源電壓及溫度變動低相關之晶片圖…………………… 38
圖3.20 與電源電壓變動關係圖……………………………………… 38
圖3.21 與溫度變動關係圖…………………………………………… 39
圖4.1 晶片實體外觀………………………………………………… 40
圖4.2 未包裝之晶片實體圖………………………………………… 40
圖4.3 完整晶片內部圖……………………………………………… 41
圖4.4 晶片實體外觀………………………………………………… 42
圖4.5 未包裝之晶片實體圖………………………………………… 42
圖4.6 精密線性直流電源供應器…………………………………… 43
圖4.7 高精密度數位電錶…………………………………………… 43
圖4.8 恆溫恆溼機…………………………………………………… 44
圖4.9 晶圓測試攝影系統…………………………………………… 44
表目錄
表1.1 IC設計公司對於正開發及預期開發的數位IC統計資料…………… 3
表1.2 IC設計公司對於正開發及預期開發的類比IC統計資料…………… 4

[1]林婉蓉，“帶你認識台灣IC設計業”，行政院勞工委員會職業訓練局，2005年9月13日。
[2]李欣岳，“台灣IC設計另個崛起的新希望”，數位時代，2004年10月1日。
[3]鄧榮惠，“2005年台灣IC設計產業現況分析與未來展望”，電子工程學刊，2005年5月25日。
[4]Yen-Bin Gu, Sheng-Feng Yueh, Shin-Liang Chen, and Ting-Wei Chang, “Supply and Temperature Insensitive Current Reference”, Proceedings of the 16th VLSI Design/CAD Symposium, August 9-12, 2005.
[5]E. Vittoz, “The design of high performance analog circuits on digital CMOS chips,” IEEE J. Solid-State Circuit, vol. SC-20 pp. 657-665, June 1985.
[6]Behazad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits. pp. 378-380, 2001.
[7]W. M. Sansen et al., “A CMOS temperature-compensated current reference” IEEE J. Solid-State Circuit, vol. SC-23 pp. 821-824, June 1988.
[8]H.J.Oguey and D. Aebischer, “CMOS current reference without resistance,”IEEE J. Solid-State Circuit, vol. SC-32 pp. 1132-1135, July 1997.
[9]K. N. Leung and P. K. T. Mok, ” A sub-1-v 15-ppm/℃ CMOS bandgap voltage reference without requiring low threshold voltage device, ” IEEE J. Solid –State Circuits, vol. 37, pp. 526-530, Apr. 2002.
[10]A. Boni, ”Op-amps and startup circuits for CMOS bandgap references with Near 1-V supply, ” IEEE J. Solid –State Circuits, vol. 37, pp. 1339-1343, Oct. 2002.
[11]G. Giustolisi, G. Palumbo, M. Criscione and F. Cutri, ”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. E. Buck, C. L. McDonald, S. H. Lewis and T. R. Viswanathan, ”A CMOS bandgap reference Without Resistors, ” IEEE J. Solid –State Circuits, vol. 38, pp. 151-154, Jan. 2003.
[13]M. Ferro, et al., “A Floating CMOS Bandgap Voltage Reference for Differential Applications”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 24, pp.690-697, Jun. 1989.
[14]K. -M. Tham, et al., ”A Low Supply Voltage High PSRR Voltage Reference in CMOS Process”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 30, pp.586-590, May. 1995.
[15]A. E. Buck, et al., ”A CMOS Bandgap Voltage Reference without Resistors”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 37, pp.81-84, Jan. 2002.
[16]K. N. Leung, et al., “A CMOS Voltage Reference Based on Weighted △VGS for CMOS Low-Dropout Linear Regulators”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, pp.146-150, Jan. 2003.

[17]K. N. Leung, et al., “A 2-V 23-uA 5.3-ppm/℃ Curvature-Compensated CMOS Bandgap Reference”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 38, pp.561-564, Mar. 2003.
[18] E. Vittoz, “The design of high performance analog circuits on digital CMOS chips,” IEEE J. Solid-State Circuit, vol. SC-20 pp. 657-665, June 1985.
[19]Behzad Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits,”McGRAW-HILL, 2004.
[20]彭罡竚，謝遠達，張文旭，“Full-Custom IC Design Concepts (for WS)”，CIC訓練課程，國家晶片系統設計中心，民國93年7月。
[21]林俊賓，“Physical Verification with Calibre”，CIC訓練課程，國家晶片系統設計中心，民國93年7月。