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带隙电压基准中电源噪声衰减的详细分析

期刊:ieee transactions on circuits and systems—i: fundamental theory and applicationsDOI:10.1109/tcsi.2002.808188

这篇文档属于类型a,即报告了一项独立原创研究的学术论文。以下是对该研究的详细介绍:

作者与发表信息

该研究由Gianluca Giustolisi和Gaetano Palumbo共同完成,两人均来自意大利卡塔尼亚大学的Dipartimento Elettrico Elettronico e Sistemistico (DEES)学院。该论文于2003年2月发表在《IEEE Transactions on Circuits and Systems—I: Fundamental Theory and Applications》期刊上,卷号为50,期号为2。

学术背景

该研究的主要科学领域是模拟集成电路设计,特别是带隙基准电压源(bandgap voltage reference)的电源噪声抑制(Power-Supply Noise Attenuation, PSNA)分析。带隙基准电压源广泛应用于A/D和D/A转换器、电压调节器、测量与仪器电路、存储器等设备中。其核心功能是生成一个与温度无关的直流电压,通过将正温度系数电压与基极-发射极电压相加,以补偿其温度依赖性。然而,随着频率的增加,环路增益降低,来自电源的噪声无法被有效抑制,这在高频应用中尤为突出。因此,PSNA成为高频应用中的关键设计参数。尽管已有研究探讨了带隙基准电压源的温度依赖性、精度、功耗和噪声等性能,但PSNA的频率行为尚未被系统分析。本研究旨在填补这一空白,提供详细的PSNA频率域分析,并探讨补偿技术以改善PSNA性能。

研究流程

研究流程主要包括以下几个步骤:

  1. 电路选择与建模
    研究选取了四种典型的带隙基准电压源拓扑结构(Type A, B, C, D),并分别对其进行了详细分析。首先,研究者建立了每种拓扑结构的大信号方程,并推导了等效小信号模型。这些模型适用于手算分析,便于设计者快速评估电路性能。

  2. PSNA频率域分析
    针对每种拓扑结构,研究者在频率域中分析了电源与输出之间的增益(或衰减)。具体来说,研究者推导了每种电路的PSNA传递函数,并分析了其频率行为。对于某些拓扑结构,还讨论了补偿技术以改善PSNA性能。

  3. 模型验证
    通过仿真验证了所推导模型的准确性。研究者使用Spectre仿真器和Cadence环境,在标准的0.8微米BiCMOS工艺下设计了四种带隙基准电压源,并进行了仿真。仿真结果与模型预测进行了对比,验证了模型的有效性。

  4. 结果比较与讨论
    研究者详细比较了四种拓扑结构的PSNA性能,分析了它们的优缺点,并提出了设计建议。特别是,研究者讨论了在高频应用中如何选择最佳的带隙基准电压源拓扑结构。

主要结果

  1. Type A与Type B的性能
    Type A和Type B在高频范围内表现出良好的PSNA性能,能够轻松将PSNA维持在40-45 dB以下。Type A在低频范围内的表现尤为优异。

  2. Type C与Type D的性能
    Type C和Type D的PSNA性能主要取决于运算放大器的特性,特别是其电源抑制比(PSRR)。在低频范围内,通过增加环路增益可以改善PSNA性能,但在高频范围内,由于环路增益急剧下降,PSNA性能受到限制。

  3. 补偿技术
    对于Type B,研究者提出了一种优化补偿电容的方法,显著改善了其PSNA性能。对于Type C和Type D,研究者建议采用降低运算放大器PSRR的技术,以进一步改善高频性能。

结论

该研究首次系统地分析了带隙基准电压源的PSNA频率行为,并提供了详细的分析模型和补偿技术。这些模型和设计建议为高频应用中的带隙基准电压源设计提供了重要参考。研究结果表明,不同类型的带隙基准电压源在高频应用中表现出显著的性能差异,设计者可以根据具体需求选择最佳拓扑结构。

研究亮点

  1. 创新性分析
    该研究首次在频率域中系统分析了带隙基准电压源的PSNA性能,填补了相关领域的空白。

  2. 实用模型与补偿技术
    研究者开发了适用于手算分析的精确模型,并提出了有效的补偿技术,显著改善了PSNA性能。

  3. 仿真验证
    通过仿真验证了模型的准确性,确保了研究结果的可靠性和实用性。

其他有价值的内容

研究还详细讨论了每种拓扑结构的电路设计参数,并提供了具体的仿真数据和图表,为设计者提供了全面的参考信息。此外,研究者还提出了未来的研究方向,例如进一步优化运算放大器的PSRR,以改善高频应用中的PSNA性能。

通过以上分析,该研究为模拟集成电路设计领域提供了重要的理论支持和实践指导,特别是在高频应用中的带隙基准电压源设计方面具有重要的科学价值和应用价值。

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