一种0.9V、33.7ppm/°C、85nW的子带隙基准电压源，采用亚阈值MOSFET与单一BJT构建

简介：
本文提出了一种低功耗、高精度的子带隙基准电压源设计，工作电压仅为0.9V，温度系数为33.7ppm/°C，并实现了85nW的超低功耗。该电路采用亚阈值MOSFET与单一BJT构建，适用于物联网和可穿戴设备等对电源效率有严格要求的应用场景。 子带隙基准电压源是集成电路中的关键组件，在模拟与混合信号VLSI系统中尤为重要。它为各种电路提供稳定的参考电压。本段落介绍了一种新型的低功耗CMOS子带隙基准电压源（sub-BGR），通过使用亚阈值MOSFET和单个双极结型晶体管（BJT）实现，具备低温度系数（TC）与高电源纹波抑制比（PSRR）的特点。 在深入探讨这项技术前，需要了解一些基础概念： - 子带隙电压源基于半导体材料的禁带宽度设计出稳定的参考电压。 - CMOS兼容性的基准电压对于现代CMOS工艺至关重要，因为它能集成到大规模集成电路中。 - 亚阈值MOSFET是指沟道电流低于其阈值水平时的工作状态，适用于低功耗应用。 - 温度系数（TC）衡量了温度变化对参考电压的影响程度。较低的TC有助于维持稳定的输出电压。 - PSRR表示基准电压源抵抗电源纹波干扰的能力。高PSRR意味着更干净、稳定的供电。 本段落提出的新子带隙基准电压源电路包括两部分： 1. 一个与绝对温度成互补（CTAT）的电压发生器，基于BJT发射极-基极电压的比例。 2. 改进后的正比例于绝对温度（PTAT）的电压发生器，利用亚阈值MOSFET的VGS堆叠。 通过CTAT电路可以降低负温系数的影响，并且改进了PTAT部分以在不增加芯片面积的情况下实现低能耗。这种设计不仅提高了效率而且减小了占用空间。 此子带隙基准电压源采用0.18微米CMOS工艺制造，测试表明即使供电仅为0.9V时功耗仍能保持在仅85纳瓦（nW）。此外，在整个频率范围内其平均温度系数为33.7ppm°C，电源纹波抑制比超过−40dB。 研究背景指出与CMOS兼容的电压参考对现代模拟和混合信号电路至关重要。现有技术大致分为两类：一类基于硅带隙或子带隙电压；另一类则依赖于MOS晶体管阈值电压及亚阈值参数。通常，前者相比高能耗的传统CMOS方案展现出更好的工艺稳定性。 尽管如此，设计低功耗高性能的参考源仍具挑战性。这项研究通过提出一种新的电路架构解决了这一问题，在降低功耗的同时保持了稳定性和广泛的电源适应范围。 该成果突破现有子带隙电压源的设计瓶颈，并具备以下创新点和技术优势： - 采用亚阈值MOSFET实现低能耗； - 单个BJT的使用有助于获得更低温度系数； - 高PSRR性能确保更稳定的输出； - 简洁的设计便于集成到各种系统中； - 兼容现有的CMOS工艺。 此外，该研究详细介绍了电路设计、制造和测试过程，并通过标准0.18微米CMOS工艺验证了其实际应用价值。具体性能数据证明这种技术在实用中的潜力与优势。因此，这项工作不仅对学术界有重要意义，还为工业实践提供了可行方案。