Referência de Tensão Bandgap

Transcrição

1 Programa de Pós-Graduação em Microeletrônica eferência de ensão Bandgap - Dalton Colombo - Prof. Gilson Wirth Eletrônica 3 Prof. Eric Fabris Porto Alegre - 06/06/07

2 Programação eferência de tensão eferências de tensão simples Conceito Bandgap opologia nº opologia nº opologia nº 3 ariabilidade nos circuitos Bandgap uído na tensão de referência

3 eferência de tensão eferência x fonte : ensão ou corrente mais precisa. Características desejadas: ndependência de DD. ndependência e previsibilidade em relação a emperatura. ndependência do processo de fabricação. ndependência da carga conectada. (Uso de Buffer isolador) Low power Low voltage. Baixo ruído de saída. Aplicações: AD s, DA s, eguladores,...

4 eferências de tensão simples (/) DD EF EF DD EF DD * * DD EF EF DD DD G EF EF DD DD q K EF *.ln * ln EF DD * EF.β DD EF G EF DD EF DD β

5 eferências de tensão simples (/) EF DD DD B z * z Coeficiente de temperatura (C) 3 m/º C (Avalanche) B 6.5 a 7.5 EF z z DD

6 upply-ndependent Biasing DD EF on out ( W L) ( W ) DD / gm L EF é Bootstrapped DD EF on out µ n C ox ( W L) N K L Efeito de corpo ndependência de DD!

7 Conceito Bandgap (/5) negativa positiva 0 α α. ( i ) EF α α ( ii ) Como gerar e? ensão do Bipolar é bem reprodutível e definida. ambém é possível gerar e a partir: (a) de entre transistores de enriquecimento e depleção. (b) de de PMO e NMO do tipo enriquecimento.

8 Conceito Bandgap (/5) G C A J 0 exp γ ln G0 C A J γ q k G ) ( γ α C m k /. 300 ln ln J J C C C m / A tensão tem.c negativo A tensão tem.c positivo

9 Conceito Bandgap (3/5) Em (ii), fazendo e temos: EF α α Fazendo α, e sabendo os valores de α 5. que satisfaz (i). e, encontramos Fisicamente... 0 K" 0 0 ln J J C C 0 0 G0 ( α γ ) 0 0 K J C " ln G0 0 ( ) 0 J γ α C Portanto, J C K". ln α J C 5. EF α Equação clássica (iii)

10 Conceito Bandgap (4/5) Encontrado α, podemos substituí-lo em (iii) e encontrar o valor de EF para temperatura de operação 0 : EF ( 0 GO 0 γ α) γ 3. ; α ; G0.05 P/ 300 K, ref.6 Para 0 EF G0 O porquê do nome Bandgap Geração da corrente PA (Proportional o the Absolute emperature) e da tensão :

11 Conceito Bandgap (5/5) Curvatura típica da curva ref x emp a 0 a a... a n n ariando 0, modifica-se o ponto de derivada zero da curva EF x emp.

12 opologia BG (/) ealimentação negativa garantida pois β N > β P ; preferencialmente por um fator. β N g g m m 3 3 β P g g m m EF EF 3 5, ln( n) 3 ou A garante a mesma tensão nos pontos X e Y. Curto circuito virtual entre as entradas de A. Fazendo, temos EF EF ln( n) 3

13 opologia BG (/) Curvatura típica ransistor Bipolar PNP ertical 0.35 µm EF 7ºC EF_EMP (m) BG (34 ppm/ C) Line egulation 7ºC upply oltage () upply Current (µa) Limitação: Como o coletor é o próprio substrato, deve-se conectálo ao erra ou

14 opologia BG (/) Uso de uma polarização independente de DD Nós A e B têm tensões iguais EF EF 3 ln( m)

15 opologia BG (/) Layout Didático Não aplica técnicas de minimização do impacto da variabilidade. Ex: Configuração centróide comum! 0.35 µm EF 7ºC EF_EM P (m) Line egulation 7ºC upply oltage () upply Curren t (µa) BG (33 ppm/ C)

16 opologia BG3 (/) No regime subthreshold (inversão fraca), D tem comportamento exponencial. D W L D0 G exp n D0 parâmetro que depende do processo, B e N fator de inclinação subthreshold. Em subthreshold, D é pequena, ocasionando pouca dissipação de potência - sendo útil para projetos de Bandgap low-power

17 opologia BG3 (/) G D D n L W exp ln ln E ln E EF

18 ariabilidade em BG s (/4) As principais fontes de erro que afetam os circuitos Bandgap são: Descasamento dos Espelhos de corrente Descasamento e olerância de esistores ariação de Erro devido ao processo de encapsulamento (Package) Essas fontes de erro ocasionam valor de EF 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 ( O ), que varia com a emp. e introduz erro em EF.

19 ariabilidade no BG (/4) EF ) 3 ( ln( n ) O EF ) 3 ( ln( mn ) O O é amplificado por (/3)!!! EF,5

20 ariabilidade no BG (3/4) Estima-se o impacto do processo da fabricação e Mismatching através da imulação Monte Carlo. imulação Monte Carlo de EF imulação Monte Carlo de EF Parâmetros como 0, U 0, ox são variados de acordo com a tolerância da fabricação. Monte Carlo EF () (mean ± σ) EF_EMP (m) (mean ± σ) EF_EMP (m) (worst case) mean ± 3σ BG.09 ± ±

21 ariabilidade no BG (4/4) Circuito de Ajuste (rim circuit): écnica usada para minimizar o impacto do processo de fabricação. EF 3 3 ln( m) EF Conectando Mx e/ou My, estamos alterando o coeficiente multiplicativo de.

22 uído na ensão de eferência pectrum Device % Device % Device % OA.MN (fn) 9.7 OA.MN0 (id).6 MP0 (id).7 OA.MN0 (fn) 9. MP0 (fn).6 MP (id).7 OA.MP3 (id) Q8. OA.MP0 (id).35 MP0 (fn).8 OA.MP3 (fn) 0.53 OA.MN (fn).68 MP (fn).8 Others.3 uído 0.7 m em 500k de BW Flicker Noise dos NMO s (OpAmp) maior contribuição!

23 Conclusão eferências de tensão Bandgap são blocos essenciais no projeto de diversos circuitos integrados. Dependência de EF em relação a temperatura de operação: 00 ppm/ºc até menos que 0 ppm/ºc. Existem diferentes topologias. Atualmente, existe uma demanda para projeto de Bandgap de alta precisão (º ou 3º ordem) e que seja Low-Power Low-oltage. uído e dependência do processo de fabricação devem ser minimizados.

24 Obrigado.