高性能基准源架构及设计方法研究

Reference is an essential module in all kinds of electronic systems, whose characteristics are directly related to the whole performance of the systems. Therefore, high-performance references play an critical role in many applications, including pure analog circuits，mixed-signal circuits and pure digital circuits. Extremely low static current and power supply voltage with low sensitivity to temperature and supply voltage variations are the development tendency of high-performance references in the future. This project will focus on the researches of architectures and design methodologies of high-performance references. Based on the theoretical study of some presented references, the merits and demerits of corresponding references are analyzed in depth. In this way, improvements with maintained original-advantages in new designs of references can be purposefully made. In order to provide accurate relationships between key design parameters and circuit structures, theoretical researches on the design methodologies of high-performance references will also be proposed in this project.Therefore, corresponding desgin models are proposed. Lower temperature coefficient, higher power supply reject ratio, lower power dissipation and lower supply voltage are the main research orientations of high-performance references. These indexes will all be involved in the researches. With the help of the proposed design methodologies, the designs of high-performance references can be directed in a scientific and convenient way, where optimized and well-balanced overall performance can be achieved. The design efficiency can be greatly improved. Besides, some architectures and circuits of high-performance references will be proposed for the requirements of different application environments

基准源是所有电子系统中一个不可或缺的模块，其特性直接关系到系统的整体性能。因此高性能基准源在众多应用中扮演着重要的角色，其应用范围覆盖了纯模拟电路，混合信号电路和纯数字电路。对温度和电源扰动的不敏感，以及极低的静态电流和工作电压是未来高性能基准电路的设计目标。 本项目将针对高性能的基准源架构及其设计方法展开研究。通过对现有的一些基准源架构进行深入的理论研究，详尽分析其优点和存在的不足之处，从而在新的基准源设计中保持原有优势，改进相应缺点。本项目还将对高性能（低温度系数、高电源抑制比、低功耗以及低供电电压）基准源的设计方法进行理论分析，在重要的设计指标与电路结构之间建立准确的对应关系，提出设计模型。从而便于根据实际需要科学地指导基准源电路的设计，并根据理论分析进行优化，以提高设计效率。此外，本项目除开展理论研究外，还将设计出多款高性能的基准源架构及电路，以适应不同的应用环境需求。

电压基准源由于可以提供稳定可靠的参考信号，几乎在所有的电子系统中都占据着不可替代的地位。电压基准源的性能直接影响着整体电子系统的品质，因此高性能基准源在纯模拟电路，混合信号电路及纯数字电路的应用有着极为广泛的应用前景。此外，随着电子系统性能的不断提升，对电压基准源性能的要求越来越高；而集成电路工艺的不断发展，给高性能电压基准源的设计带来了越来越多的挑战。本项目根据基准源核心元器件的不同，将基准源分为带隙基准源和非带隙基准源两个方面进行研究。依据基准源核心元器件特性，分别建立了带隙基准源和非带隙基准源设计方法及理论。提出了高阶复杂温度曲线拟合设计方法；泰勒展开拟合设计方法；温度区间优化设计方法；阈值电压温度互补非带隙基准源设计方法；阈值电压与热电压互补非带隙基准源设计方法；亚阈值温度线性化设计方法；差分差值放大器设计方法；PTAT失调电压设计方法及亚阈值MOSFET ∆VGS设计方法。基于上述的部分设计方法，结合不同的应用环境需求，本项目设计完成了多种高性能基准源架构，并完成了具体电路设计工作，其涵盖了绝大部分的基准源类型，具体为带隙基准源与非带隙基准源、有电阻基准源和无电阻基准源。在本项目的支持下，已申请中国发明专利20项，获授权中国发明专利18项，在国内外期刊和会议上发表论文16篇，并在IEEE国际会议上做报告2次。