A 192pW Hybrid Bandgap-Vth Reference with Process Dependence Compensated by a Dimension-Induced Side-Effect

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A Study on Low-Power Voltage Reference Circuits

Doctor본 학위 논문은 저전력을 타겟으로 하는 두 종류의 기준 전압 생성 회로에 대한 것이다. 첫 번째 기준 회로는 한 회로에서 동시에 기준 전압과 기준 전류를 생성하며 10nW 미만의 파워를 소모하는 밴드갭 기준 전압 회로이다. 회로는 0.18-μm CMOS 공정을 사용하여 제작되었으며, 측정 결과 9.3nW의 전력을 소모하여 1.238V의 기준전압과 6.64nA의 기준전류를 생성하였다. 기준 전압의 경우 공정/전압/온도 의존성이 각각 0.21%, 0.08%/V, 26ppm/°C, 기준 전류의 경우 공정/전압/온도 의존성이 각각 4.07%, 1.16%/V, 283ppm/°C으로 모든 조건에서 안정적인 출력을 공급하였다. 두 번째 기준 회로는 트랜지스터에 존재할 수 밖에 없는, 소자의 크기가 초래하는 효과를 이용하여 최초로 공정 의존성을 보상하는 방법을 제안한 하이브리드 기준 전압 회로이다. 이 회로의 경우, 제안한 방법을 적용하여 공정 의존성을 줄임과 동시에 1nW 미만의 파워를 소모하도록 설계 하였다. 앞의 경우와 마찬가지로 이 회로 역시 0.18-μm CMOS 공정을 사용하여 제작되었으며, 측정 결과 192pW의 전력을 소모하여 0.6926V의 기준전압을 생성하였다. 이는 밴드갭 전압과 해당 공정의 문턱 전압의 차이와 거의 일치하는 값으로, 공정이 정해지면 항상 이러한 값으로 출력되기 때문에 예측이 가능한 장점이 있다. 출력된 기준 전압은 공정/전압/온도 의존성이 각각 0.53%, 0.02%/V, 33ppm/°C로 안정적인 출력을 공급하였으며, 이 때 공정 의존성은 세 가지 다른 웨이퍼에 제작하여 측정하였다.This thesis describes two low-power voltage reference circuits. Firstly, a sub-10nW bandgap-reference (BGR) circuit that implements both voltage and current references in one circuit is proposed. The BGR circuit is implemented with a 0.18-μm CMOS technology and generates voltage and a current references of 1.238V and 6.64nA while consuming 9.3nW. The voltage and current references show standard deviations of 0.43% and 1.19% with temperature coefficients of 26ppm/°C and 283ppm/°C, respectively. Secondly, a hybrid circuit scheme that generates a reference voltage associated with both the bandgap (VBG) and the threshold voltage (Vth) is proposed. The circuit generates a nominal value of (VBG – Vth) with process dependence compensated by a dimension-induced side-effect. The proposed circuit, fabricated in a 0.18-μm CMOS technology, generates a reference voltage of 0.6926V and consumes 192pW from a supply voltage of 1V. Measurements show a standard deviation of 0.53% over process corners with an average temperature coefficient of 33ppm/°C