1. 研究目的与意义
基准电压源 (VoltageReference)指在电路中提供高精度与高温度稳定性的电压源，它在环境变化，包括供电电压、温度在一定范围内变化时均能保持高稳定的电压输出。基准电压源是模数转换器、数模转换器、线性稳压器和开关稳压器、温度传感器、充电电池保护芯片和通信电路等电路中不可缺少的部分。由于它的性能直接影响着整个系统的性能,所以它的性能和集成度的提高,一直是研究的热点。
基准源的类型有很多，按照技术工艺进行区分，基准源可以分为带隙基准，XFET（外加离子注入场效应管）基准、掩埋齐纳二极管基准、E/D NMOS基准与基于CMOS工艺的基准等。带隙电压基准利用了双极型三极管发射结的温度特性构成基准核心电路，其工作电压比较低；XFET是一种较为新型的电压基准方式，由ADI公司提出和实现，其利用了结型场效应管的夹断电压差的特性，其制作需要特殊的工艺；掩埋齐纳二极管电压基准利用了二极管PN结的温度特性，由于齐纳二极管工作电压高，所以这种电压基准需要的供电电压一般大于7 V；E/D NMOS电压基准利用了利用了耗尽型与增强型MOS的开启电压差的温度特性，这种基准电压源的制作工艺相对比较复杂。
CMOS工艺是目前在一般的商用与民用设备中使用最多的半导体工艺，其制作工艺成熟、成本低，易于寻找代工厂商，而且易于与基于CMOS工艺的数字电路与系统集成，随着工艺的进步，CMOS工艺的供电电压也在不断降低，因此在低功耗要求比较高的便携式电子设备中也有广阔的应用前景。为基于CMOS的电路与系统提供基准电压是成为一个具有应用价值的研究课题。在CMOS工艺中可以利用寄生的PNP结构可以实现带隙基准电压源，但是这种寄生双极型结构一般没有准确的表征且占用面积比较大，而且在SOI结构中没有阱可以作为所需的双极性结构的基区，另外，在硅衬底比较薄时也不易制作具有良好电特性的双极型结构。因此，近年来有多种基于MOS管阈值电压温度特性的电路结构被提出。
2. 研究内容与预期目标
| 1、研究内容 传统的带隙电压基准电路一般利用双极型三极管的发射结的温度特性形成正温度系数电压与负温度系数电压，再进行加权相加以得到高温度稳定性的基准电压。在CMOS工艺中，往往使用寄生的PNP结构来实现所需的双极型结构。但是这种寄生双极型结构一般没有准确的表征且占用面积比较大，而且在SOI结构中没有阱可以作为所需的双极性结构的基区，另外，在硅衬底比较薄时也不易制作具有良好电特性的双极型结构。本文根据其不足，设计基于MOS管阈值电压温度特性的基准电路。本题目将基于CMOS工艺对于带隙电压基准电路的温度特性、电源抑制等特性进行分析和仿真。具体有研究的内容如下： （1）学习理解有关晶体管的温度特性的物理原理，理解正负温度系数电压的电路产生方法以及零温度系数电压的实现方法，包括传统的双极型结构和基于MOS阈值电压温度特性的结构； （2）在电路软件中构建实现基于双极型结构核心电路的带隙电压基准电路，并且对于其温度特性、电源抑制、噪声特性等进行仿真分析； （3）在电路软件中构建实现基于MOS阈值电压温度特性的基准电路结构，并且对于其温度特性、电源抑制、噪声特性进行仿真分析；
2、预期目标 掌握带隙基准电路的实现原理以及有关设计知识，包括传统的双极型结构与基于MOS阈值电压温度特性的结构，能够使用电路仿真软件仿真带隙基准电路，能够分析温度特性、电源抑制、噪声特性等并且得出结论。
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3. 研究方法与步骤
1、带隙基准电压源电路的基础和原理。查阅图书馆资料、借助知网等数据库查阅相关资料，掌握带隙基准电压源电路的基础和原理。掌握电源电压抑制比和温度抑制比衡量基准等重要的参数。
2、学习电路仿真软件，使用LTspice软件设计双极型结构核心电路的带隙电压基准电路。重点掌握Widler双极型基准电压源的原理。
设计基于MOS阈值电压温度特性的基准电路。掌握利用MOS管产生正温度系数电压的典型原理。
4. 参考文献
[1]吴金, 刘桂芝, 张麟. CMOS亚阈型带隙电压基准的分析与设计[J]. 固体电子学研究与进展, 2005, 25(3):375-378.
[2]王晓艳, 张志勇, 卢照敢,等. 一种Brokaw带隙电压基准的分析与设计[J]. 西北大学学报:自然科学版,2007, 37(6):991-995.
[3]钟昌贤, 张波, 周浩,等. 一个1.2 V,9 ppm/℃的CMOS带隙电压基准源[J]. 现代电子技术, 2006, 29(16):120-122.
5. 工作计划
1、资料收集、文献查阅2022.3.4-2022.3.10
2、原理查阅、方案设计文献翻译，完成开题报告2022.3.10-3.20
3、双极型结构核心电路的带隙电压基准电路设计与分析2022.3.20-4.10
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