Referência de Tensão Bandgap

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Referência de Tensão Bandgap

- Dalton Colombo - Prof. Gilson Wirth

Porto Alegre - 06/06/07

Programa de Pós-Graduação em

Microeletrônica

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Programação

• Referência de tensão

• Referências de tensão simples

• Conceito Bandgap

• Topologia nº 1

• Topologia nº 2

• Topologia nº 3

• Variabilidade nos circuitos Bandgap

• Ruído na tensão de referência

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Referência de tensão

• “Referência” x “fonte”: Tensão ou corrente mais precisa.

• Características desejadas:

Independência de VDD.

Independência e previsibilidade em relação a Temperatura.

Independência do processo de fabricação.

Independência da carga conectada. (Uso de Buffer isolador) Low power – Low voltage.

Baixo ruído de saída.

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Referências de tensão simples (1/2)

      ∂ ∂ = VDD VREF VREF VDD S VREF VDD *       + = 2 1 2 * R R R VDD VREF 1 = VREF VDDS 2 2 VDD VGS VREF = ≡ 1 = VREF VDDS       ≈ = IS R VDD q T K V VREF _BE * ln . * 036 . 0 ln 1 ≈       = IS I S VREF VDD       + = 1 2 1 * R R R V VREF _BE β . 2 R VDD VT VREF = +       + = 1 2 1 R R VGS VREF 26 . 0 . 2 . 1 5 . 0 ≈ + = VDD R VT S VREF VDD β

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Referências de tensão simples (2/2)

Coeficiente de temperatura (TC) ≈ 3 mV/º C (Avalanche)

VB ≈ 6.5 a 7.5 V 0044 . 0 *  ≈      + = Rz R Rz VB VDD S VREF VDD VDD R Rz Rz V_REF       + =

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Supply-Independent Biasing

      + = Ron R VDD I_REF 1 ( ) ( )₁2 1 / 1 1 W L L W gm R VDD Iout ⋅ + ∆ = ∆       + = Ron R VDD I_REF 1

(

)

2 2 1 1 1 2 _      − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = K R L W C I S N ox n out µ Independência de VDD! ↑ L ↓ Efeito de corpo I_REF é “Bootstrapped”

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Conceito Bandgap (1/5)

2 1

2

1 V

V

_REF

=

α

⋅

+

α

⋅

T V T V ∂ ∂ + ∂ ∂ ⋅ = 1 2 . 2 1 0 α α negativa T V = ∂ ∂ ₁ positiva T V = ∂ ∂ ₁ Como gerar V₁ e V2?

Tensão VBE do Bipolar é bem reprodutível e definida.

Também é possível gerar V₁ e V₂ a partir:

(a) ≠ de V_T entre transistores de enriquecimento e depleção.

(b) ≠ de V_T de PMOS e NMOS do tipo enriquecimento.

( ii )

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Conceito Bandgap (2/5)

      ₋ ⋅ ⋅ = T G BE C V V V T A J γ exp 0 0 ln C _G T BE V T A J V V +      ⋅ ⋅ = _γ       ⋅ − + − = ∂ ∂ = q k T V V T V _BE _G T T BE ) ( 0 0 0 α γ mV C T V k T BE ≈ − ° ∂ ∂ =300 2.2 /         ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = − = ∆ 2 1 2 1 2 1 2 1 ln ln I I I I VT J J V V V V S S C C T BE BE BE _T mV C V T V_T _T ° + ≈ = ∂ ∂ / 087 . 0 A tensão V_BE tem T.C negativo

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Conceito Bandgap (3/5)

(

)

0 0 0 0 0 2 0 0 ln " 0 T V T V V J J T V K BE G T C CI T + − + − ⋅             = α γ 0 0 0 2 ) ( ln " _G _BE _T C CI V V V J J K _ = − + − ⋅      ⋅ γ α

Fazendo α₁ = 1, e sabendo os valores de

Fisicamente... Portanto, _"._ln ₂₅_.₂ 2 2 ≈ ≈       α C CI J J K T BE REF V V V =

α

₁ ⋅ +

α

₂ ⋅

Em (ii), fazendo V₁ = V_BE e V₂ = ∆V_BE temos:

T V_BE ∂ ∂ T V_BE ∂ ∆ ∂ e

α₂≈ 25.2 que satisfaz (i).

T BE REF

V

=

+

α

₂

⋅

, encontramos (iii) Equação clássica

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Conceito Bandgap (4/5)

Encontrado α₂, podemos substituí-lo em (iii) e encontrar o valor de

V_REF para temperatura de operação T₀:

)

(

0 0

=

+

γ

−

α

=T GO T T REF

V

0

0 V

_REF

V

_G

T

→

∴

→

Para O porquê do nome “Bandgap”

Geração da corrente I_PTAT

(Proportional To the Absolute

Temperature) e da tensão V_T:

γ ≈ 3.2 ; α ≈1;V_G0 = 1.205 V

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Conceito Bandgap (5/5)

Curvatura típica da curva V_refx Temp

Variando T

₀

, modifica-se

o ponto de derivada zero

da curva V

_REF

x Temp.

n n BE

T

a

T

a

T

a

V

+

=

...

2 2 1 0

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Topologia BGR1 (1/2)

T BE REF V R R n V V ⋅      + ⋅ + = 3 2 1 ) ln( 2 T BE REF n V R R V V = + ⋅ln( )⋅ 3 2 1 ou

Realimentação negativa garantida

pois β_N > β_P; preferencialmente por

um fator 2.

A1 garante a mesma tensão nos

pontos X e Y. Curto circuito virtual

entre as entradas de A₁.

Fazendo R1 = R2, temos I1 = I2=IREF

≈ 25,2 2 3 2 3 2 1 1 R R g R g m m N + + + = β 1 1 1 1 1 R g g m m P + = β 3 R V I_REF = ∆ BE

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Topologia BGR1 (2/2)

Transistor Bipolar PNP Vertical Curvatura típica V_REF(V) @ 27ºC ∆V_{REF_TEMP} (mV) Line Regulation (%/V) @ 27ºC Supply Voltage (V) Supply Current (µA) BGR 1.20640 2.37 (34 ppm/°C) 0.46 3.3 358 Limitação: Como o coletor é o próprio substrato, deve-se conectá-lo ao Terra ou V_SS 0.35 µm

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Topologia BGR2 (1/2)

T BE REF

m

V

R

V

=

+

⋅

ln(

)

⋅

1

2

3

• Uso de uma polarização independente de VDD • Nós A e B têm tensões iguais 1 R V I_REF = ∆ BE

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Topologia BGR2 (2/2)

Não aplica técnicas de minimização do impacto da variabilidade.

Ex: Configuração centróide comum!

0.35 µm V_REF (V) @ 27ºC ∆V_{REF_TEM} P (mV) Line Regulation (%/V) @ 27ºC Supply Voltage (V) Supply Curren t(µA) BGR 1.20816 2.05 (33 ppm/°C) 0.93 3.3 56 Layout Didático

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Topologia BGR3 (1/2)

      ⋅ ⋅ ⋅ = T GS D D V n V I L W I ₀ exp No regime subthreshold

(inversão fraca), I_D tem

comportamento exponencial.

I_D0 = parâmetro que depende do

processo, V_SBe V_T

N = fator de inclinação

subthreshold.

Em subthreshold, I_D é pequena,

ocasionando pouca dissipação de potência - sendo útil para

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Topologia BGR3 (2/2)

      ⋅ ⋅ ⋅ ≈ T GS D D V n V I L W I ₀ exp       ⋅ = 3 2 4 1 1 . ln . S S S S V V_R _T       ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = 3 2 4 1 1 3 6 ln S S S S R S V S I_E T       ⋅ ⋅ ⋅       ⋅ ⋅ ⋅ + = ⋅ + = 3 2 4 1 3 1 6 2 5 2 5 ln S S S S S R V S R V R I V V_REF _BE _E _BE T

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Variabilidade em BGR´s (1/4)

• As principais fontes de erro que afetam os circuitos Bandgap são: Descasamento dos Espelhos de corrente

Descasamento e Tolerância de Resistores

Variação de VBE

Erro devido ao processo de encapsulamento (Package)

• Essas fontes de erro ocasionam valor de V_REF diferente do nominal e

uma pior performance no intervalo de temperatura.

• Devido o Mismatching e as tolerâncias do processo de fabricação, o

Amp. Op. tem tensão de Offset (V_OS), que varia com a Temp. e

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Variabilidade no BGR1 (2/4)

(

T OS

)

BE REF n V V R R V V ⋅ ⋅ −      + + = ln( ) 3 2 1 2 V_OS é amplificado por 1+ (R2/R3)!!! ( T OS ) BE REF mn V V R R V V ⋅ ⋅ −      + + ⋅ = 2ln( ) 3 2 1 2 ₂ VREF ≈ 2,5 V

I

₁

≈I

₂

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Variabilidade no BGR2 (3/4)

Simulação Monte Carlo de V_REF

Simulação Monte Carlo de ∆V_REF

Estima-se o impacto do processo da fabricação e Mismatching através da Simulação Monte Carlo.

Parâmetros como V_T0, U₀, T_ox

são variados de acordo com a tolerância da fabricação. Monte Carlo BGR2 V_REF(V) (mean ± σ) 1.2091 ± 0.0145 ∆V_{REF_TEMP} (mV) (mean ± σ) 4.893 ± 2.737 ∆V_{REF_TEMP}(mV)

(worst case) mean ± 3σ

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Variabilidade no BGR2

(4/4)

Circuito de Ajuste (Trim circuit): Técnica usada para minimizar o impacto do processo de fabricação.

T BE BE REF m V R R V R I V V = + ⋅ = + ⋅ln( )⋅ 1 2 3 2 1 3 1 R V I_REF = ∆ BE

Conectando Mx e/ou My, estamos alterando o coeficiente

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Ruído na Tensão de Referência

Device % Device % Device %

OA.MN1 (fn) 19.27 OA.MN0 (id) 11.61 MP0 (id) 1.72 OA.MN0 (fn) 19.11 MP0 (fn) 11.61 MP1 (id) 1.72 OA.MP3 (id) 12.36 R3 3.16 Q8 1.11 OA.MP0 (id) 12.35 MP0 (fn) 1.81 OA.MP3 (fn) 0.53 OA.MN1 (fn) 11.68 MP1 (fn) 1.81 Others 1.23

Flicker Noise dos NMOS´s (OpAmp) maior contribuição! Ruído = 0.172 mV em 500k de BW