Projeto de referência de tensão subbandgap

Abstract

A referência de tensão é um circuito muito relevante por fornecer sua tensão de saída para diversos circuitos analógicos, sinais mistos e digitais, além de ter sido um importante tópico de estudo em circuitos integrados por mais de 50 anos. Uma referência de tensão deve providenciar uma tensão estável com baixa sensibilidade à variações na temperatura, tensão de alimentação, características de processo de fabricação e estresses no encapsulamento, além de outros parâmetros específicos de cada aplicação. Esse tipo de circuito funciona com o cancelamento da dependência térmica entre duas grandezas elétricas, normalmente implementados pela soma ponderada de dois efeitos físicos independentes com dependências térmicas opostas. Circuitos denominados bandgap empregam a deriva térmica negativa de uma junção semicondutora para gerar a grandeza elétrica com dependência complementar à temperatura absoluta, enquanto o potencial térmico, advindo da constante de Boltzmann e da carga do elétron, normalmente é utilizado para gerar a grandeza elétrica com dependência proporcional à temperatura absoluta. Considerando que essas grandezas também dependem do processo de fabricação, o desempenho de referência é muito impactado pela variabilidade de fabricação. Um projeto que apresente robustez à variabilidade é mandatório para aumentar a precisão do circuito. Consequentemente, este trabalho apresenta o projeto de uma referência de tensão subbandgap de baixa variabilidade comportamental. Foi implementada uma fonte de corrente ISQ para a polarização de todos os blocos do circuito com uma corrente que apresenta baixa variabilidade comportamental. Foram implementados Self-Cascode MOSFET (SCM) e Pares Diferenciais Desbalanceados para a geração de tensões proporcionais à temperatura absoluta. As topologias empregadas são descritas analiticamente e o modelo ACM foi utilizado durante o projeto. O circuito é formando somente por transistores no processo de fabricação de 180 nm CMOS da XFAB. As simulações realizadas em schematic view resultaram em uma tensão de referência de 738 mV apresentando TC médio de 37,6 ppm/ C, consumindo 8,809 μV em uma tensão de alimentação de 1,8 V. Simulações Monte Carlo foram conduzidas para avaliar o comportamento do circuito frente à variabilidade comportamental, apresentando resultados comparáveis à artigos publicados em convenções internacionais.

The voltage reference is a very relevant circuit for providing its output voltage to many analog, mixed-signal and digital circuits, and has been an important topic of study in integrated circuits for more than 50 years. A voltage reference must provide a stable voltage with low sensitivity to variations in temperature, supply voltage, manufacturing process characteristics and package stresses, as well as other application-specific parameters. This type of circuit works by canceling the thermal dependence between two electrical quantities, usually implemented by the weighted sum of two independent physical effects with opposite thermal dependencies. Circuits called bandgap employ the negative thermal drift of a semiconductor junction to generate the electric quantity with complementary temperature dependence, while the thermal potential, related from the Boltzmann’s constant and the electron charge, is normally used to generate the proportional term. Since these quantities are also dependent on the fabrication process, the reference performance is greatly impacted by fabrication variability. Reduction or a design that exhibits robustness to variability is mandatory to increase the circuit accuracy. Hence, this paper presents the design of a subbandgap voltage reference with low behavioral variability. An ISQ current source was implemented for biasing all the circuit blocks with a current that exhibits low behavioral variability. Self-Cascode MOSFET (SCM) and Unbalanced Differential Pairs were implemented for the generation proportional to absolute temperature terms. The topologies employed are described analytically and the ACM model was used during the design. The circuit is formed only by transistors in XFAB’s 180 nM CMOS manufacturing process. Simulations performed in schematic view resulted in a reference voltage of 738 mV showing average TC of 37,6 ppm/ C, consuming 8,809 μV at a supply voltage of 1,8 V. Monte Carlo simulations were conducted to evaluate the circuit behavior against behavioral variability, presenting results comparable to papers published in international conventions.