Projeto de referência de tensão subbandgap

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

Методи підвищення точності і стабільності джерел опорної напруги в інтегральних мікросхемах та технічні рішення їх реалізації

Магістерська дисертація складається із 4 осн. розд, 95 рис., 28 табл., 7 дод., 43 дж. Загальний обсяг дисертації становить 207 сторінок, в тому числі 152 сторінки основного тексту. Практична спрямованість роботи. У дисертаційній роботі вирішувалася науково-практична задача підвищення точності і стабільності джерел опорної напруги шляхом удосконалення архітектурних рішень. Дослідження проводилися відповідно до наукових напрямків діяльності кафедри КЕОА, а також пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України “Інформаційні та комунікаційні технології”. Об’єктом дослідження є джерела опорної напруги, стабільність і точність вихідної напруги джерел. Предметом дослідження є методи підвищення стабільності і точності вихідної напруги джерел опорної напруги. Мета дослідження - підвищення стабільності і точності вихідної напруги джерел опорної напруги за критерієм температурної стабільності із забезпеченням стабільної роботи при напрузі живлення рівній або нижче 1 В у широкому діапазоні температур від -40°С до +150°С, а також з можливістю реалізації в стандартному КМОН технологічному процесі виготовлення ІС. Методи дослідження. При розв’язанні поставлених у роботі завдань для розробки і проектування джерела опорної напруги із покращеними характеристиками точності і стабільності вихідної напруги використано теорію електричних кіл; для розробки і аналізу схеми компенсації для операційних підсилювачів використано теорію авторегулювання та керування. Математичні розрахунки виконувалися із застосуванням програмного середовища MATLAB. Моделювання розроблених електричних схем проводилися у середовищі проектування Cadence Virtuoso. Для моделювання використано аналіз постійних струмів і напруг, аналіз у частотній і часовій обласі, аналіз шуму, Corner аналіз, а також Монте Карло аналіз для статистичного врахування випадкових відхилень технологічних параметрів під час виготовлення напівпровідникових інтегральних мікросхем. Наукова новизна одержаних результатів – удосконалена структурна схема побудови джерела опорної напруги із компенсацією температурної залежності вищих порядків, що дозволяє підвищити точність і стабільність вихідної напруги за рахунок компенсації нелінійностей вищих порядків; запропоновано використання ідеалізованої моделі джерела для дослідження впливу параметрів ключових елементів на точність і стабільність вихідної напруги. Практичне значення отриманих результатів визначається запропонованою архітектурою джерела опорної напруги, що забезпечує високу точність і стабільність вихідної напруги. Розроблено схемотехнічне рішення для реалізації запропонованої архітектури у середовищі Cadence Virtuoso та проведено моделювання схеми при всіх варіантах технологічних відхилень, у широкому діапазоні температур і при мінімальних і максимальних значеннях напруги живлення. Отримані результати впроваджено у ФОП «Сахаров Д.Ю.».The master’s thesis consists of 4 main parts, 95 figs., 28 tabl., 7 apps., 43 refs. It has 207 pages, from which 152 pages of main text. The dissertation solves the scientific and practical problem of increasing the accuracy and stability of reference voltage sources through the improvement of architectural solutions. Dissertation research was conducted in accordance with the scientific activities of the DEDEC, as well as the priority area of development of science and technology of Ukraine "Information and Communication Technologies". Object of research: the reference voltage sources, the stability and accuracy of the output voltage of the sources. Subject of research: methods of increasing the stability and accuracy of the output voltage of the reference voltage sources. Aim of research: to increase the stability and accuracy of the output voltage of reference voltage sources by the criterion of temperature stability with stable operation at supply voltage equal to or below 1 V in a wide temperature range from -40 ° C to + 150 ° C, and with the possibility of implementation in standard CMOS technological process of IC manufacturing. The theory of electric circuits is used for the development and design of the reference voltage source with improved characteristics of accuracy and stability of the output voltage; the theory of autoregulation and control is used for development and analysis of the compensation scheme for operational amplifiers. Mathematical calculations were performed using the MATLAB software environment. Simulations of the developed electrical circuits were performed in the design environment of Cadence Virtuoso. For modeling were used DC analysis, frequency and time domain analysis, noise analysis, Corner analysis. Monte Carlo analysis were used to take into account random processes during the manufacture of semiconductor integrated circuits. Scientific novel: improved structural scheme of the reference voltage source with compensation of temperature dependence of higher orders, which allows to increase the accuracy and stability of the output voltage by compensating for nonlinearities of higher orders; the use of an idealized models is proposed to study the influence of the parameters of key elements on the accuracy and stability of the output voltage. The practical value of the obtained results is determined by the proposed architecture of the reference voltage source, which provides high accuracy and stability of the output voltage. The circuit solution for realization of the offered architecture in the Cadence Virtuoso environment is developed and the modeling of the scheme at all variants of technological deviations, in a wide range of temperatures and at the minimum and maximum values of supply voltage is carried out. The obtained results were implemented in Private Entrepreneur "Sakharov D.Yu.