一种快速建立的低噪声带隙基准源设计与实现

doi:10.12263/DZXB.20201143

电子学报 ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (11): 2195-2201.DOI: 10.12263/DZXB.20201143

一种快速建立的低噪声带隙基准源设计与实现

伍锡安¹^,², 章泽臣¹^,²^,³, 袁圣越¹, 田彤¹^,²^,³

^1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050
^2.中国科学院大学，北京 100049
^3.上海科技大学信息科学与技术学院，上海 201210

收稿日期:2020-10-16 修回日期:2021-07-07 出版日期:2021-11-25
- 作者简介:
- 伍锡安　男，1992年10月生于湖南邵阳，中国科学院大学/中国科学院上海微系统所博士研究生，研究方向为模拟/数模混合集成电路设计.E-mail：wuxa@mail.sim.ac.cn
  章泽臣　男，1996年10月生于江苏宿迁，上海科技大学信息科学与技术学院硕士研究生，研究方向为模拟/数模混合集成电路设计.
  袁圣越男，1986年10月生于江苏南京，硕士研究生毕业于华东师范大学，长期从事模拟/射频集成电路及系统设计的研发工作.
  田　彤（通信作者）　男，1968年生于陕西西安，博士，研究员，博士生导师.1998年至2001年先后在西安电子科技大学、新加坡南洋理工大学任副教授.2010年引进中科院上海微系统与信息技术研究所.长期从事模拟/射频集成电路及系统设计的研发工作.E-mail：tiantong@mail.sim.ac.cn

Design and Implementation of a Fast Set-Up and Low-Noise Bandgap Reference

WU Xi-an¹^,², ZHANG Ze-chen¹^,²^,³, YUAN Sheng-yue¹, TIAN Tong¹^,²^,³

^1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China
^2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
^3.School of Information Science and Technology, Shanghai Tech University, Shanghai 201210, China

Received:2020-10-16 Revised:2021-07-07 Online:2021-11-25 Published:2021-11-25

摘要/Abstract

摘要：

基于UMC 65nm CMOS工艺设计实现了一种快速建立的低噪声带隙基准源.利用工作在深线性区的MOS管实现了GΩ级别大电阻，因此仅采用5pF的电容即实现了截止频率低至32Hz的带开关低通滤波器，有效降低了带隙基准源输出噪声.有源器件的采用大大节省了芯片面积，降低了制作成本.通过采用上电延时电路去控制低通滤波器工作状态，克服了采用大阻值电阻或大容值电容低通滤波器降噪面临的缓慢建立问题，实现了快速建立.通过Spectre仿真器对电路在1.8V电源电压下进行了仿真，后仿真结果表明，电路在10kHz、100kHz、1MHz的输出噪声分别为：11.76nV/sqrtHz、1.213 nV/sqrtHz、336.8 pV/sqrtHz，电路的建立时间为1.436μs，整体功耗为104.4μW.本文设计已在实际芯片中得到应用，并取得了预期效果.

关键词: 低噪声, 带隙基准源, 快速建立, 低通滤波器

Abstract:

A fast set-up and low-noise bandgap reference is designed and implemented with UMC 65nm COMS process. A GΩ level resistor is realized by using a MOS transistor working in deep triode region. Therefore, only a 5pF capacitor is used to realize a switching low-pass filter with a cut-off frequency as low as 32Hz, which effectively reduces the output noise of the bandgap reference. The use of active devices greatly saves chip area and reduces manufacturing costs. A power-on delay circuit is adopted to control the working state of the low-pass filter, which overcomes the problem of slow set-up by using low-pass filters with large resistance or large capacitance capacitors to reduce noise and achieve rapid set-up. The circuit is simulated under 1.8V supply voltage by spectre simulator. The post simulation results show that the output noise of the circuit at 10kHz, 100kHz, and 1MHz are 11.76nV/sqrtHz, 1.213 nV/sqrtHz, 336.8 pV/sqrtHz, respectively. The settling time of the circuit is 1.436μs, and the power consumption is 104.4μW.This design has been applied to the actual chips and achieved the expected effect.

Key words: low noise, bandgap reference, fast set-up, low pass filter

中图分类号:

TN43

伍锡安, 章泽臣, 袁圣越, 田彤. 一种快速建立的低噪声带隙基准源设计与实现[J]. 电子学报, 2021, 49(11): 2195-2201.

WU Xi-an, ZHANG Ze-chen, YUAN Sheng-yue, TIAN Tong. Design and Implementation of a Fast Set-Up and Low-Noise Bandgap Reference[J]. Acta Electronica Sinica, 2021, 49(11): 2195-2201.

图/表 17

图 1 提出的带隙基准源系统框图

图2 提出的带隙基准源核心

图 3 传统RC低通滤波器

图 4 MOS开关控制的低通滤波器

图5 上电延时电路核心

图6 上电延时电路仿真结果

图 7 电阻校准网络

图 8 提出的带隙基准源版图

图 9 输出噪声后仿真对比

图 10 采用上电延时电路改善带隙基准源瞬态响应的仿真

图11 未采用上电延时带隙基准源瞬态响应的仿真

表1 不同情况下带隙基准源的噪声和建立时间对比

LPF结构	建立时间	Noise@1MHz
C	1.436μs	187.6 nV/sqrtHz
R+C	180.95ms	336.8 pV/sqrtHz
R+C+POR	1.436μs	336.8 pV/sqrtHz

图 12 蒙特卡罗仿真

图13 带隙基准源测试单元芯片显微照片

图14 带隙基准源瞬态测试结果图

图15 带隙基准源经过LDO后输出噪声仿真

图16 带隙基准源经过LDO后输出噪声测试结果

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