Projeto de circuito integrado CMOS para referência de tensão sub-1v

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo de design de circuitos CMOS para referências de tensão inferiores à tensão de bandgap assim como a sua implementação. O maior desafio nesse tipo de projeto está em encontrar outro parâmetro, tão estável quanto a referência clássica de bandgap, e que possa ser utilizado como fonte de tensão a fim de proporcionar um potencial sub-volt (abaixo de 1V) com uma boa estabilidade térmica. Essa necessidade surge no momento em que as novas tecnologias CMOS estão reduzindo a tensão máxima de alimentação admissível nos circuitos integrados. Os circuitos digitais CMOS abaixo de 32nm podem operar confiavelmente com tensões inferiores à tensão de bandgap (1.1 a 1.2V), além do que a eficiência energética dos circuitos CMOS digitais aumenta com a redução da tensão. Daí surge esse desafio de desenvolver referências de tensão DC sub-1V. A referência de tensão desenvolvida ao longo desse trabalho pode ser utilizada para em diversas aplicações típicas em circuitos analógicos ou como dispositivo de estimação da tensão de limiar, por ser baseada na mesma. Nesse trabalho, é projetada uma referência de tensão capaz de proporcionar tensões abaixo de 1V e que sejam proporcionais à tensão de tensão de limiar do MOSFET. Referências de tensão normalmente têm uma grande resistência de saída o que impede a sua utilização direta para fornecer uma corrente à carga. Para solucionar este problema e fornecer um circuito mais completo, foi desenvolvido um amplificador a fim de fornecer maior potência para os circuitos subsequentes, para preservar a referência e permitir um trimming se for necessária uma referência de maior precisão.

This work presents a study of circuit designs for voltage references below bandgap voltage as well as their implementations. The greatest challenge is to find another parameter, as stable as the bandgap voltage, and which can be used as a reference voltage to provide a sub-volt (below 1V) reference potential with good temperature stability. This need arises as the new CMOS technologies are decreasing the maximum supply voltage of integrated circuits. Many CMOS digital circuits below 32nm minimum channel length operate at voltages below the bandgap reference voltage (1.1 to 1.2V), and furthermore, the power efficiency of CMOS digital circuits increases with voltage reduction. From this, arises the challenge of developing DC voltage references sub-1V. The voltage reference developed throughout this work may be used in various applications for typical analog circuits or as a device for estimating the threshold voltage of MOSFETs, as it is based on the same. This work is designed to cover a reference voltage to provide voltages of 1V and below that are proportional to the threshold voltage of the MOSFETs. Reference voltage typically has a high output resistance which prevents its direct use to drive a current load. To solve this problem and to provide a more complete circuit, an amplifier is designed to deliver more power to the load circuits, to preserve the reference and to let trimming if better precision is necessary.