Referencia de banda prohibida auto-polarizada logra 180 nm, 80 dB PSRR – Compensación de temperatura baja potencia, alta precisión

Resumen

En este artículo se presenta una referencia de banda prohibida (BGR) auto-polarizada mejorada con alta relación de rechazo de fuente de alimentación (PSRR). Un amplificador operacional construyendo bucle de realimentación se multiplexa con generación de voltaje de coeficiente de temperatura positivo (TC) para menor consumo de potencia, donde un voltaje de offset se adopta para lograr voltaje proporcional a temperatura absoluta (PTAT). Con generación de referencia independiente de temperatura, dos bucles de realimentación se realizan simultáneamente para mejora de PSRR, formando un bucle local de realimentación negativa (LNFL) y un bucle global auto-polarizado (GSBL). La BGR propuesta se implementa en tecnología BCD 180 nm, cuyos resultados muestran voltaje de referencia generado 2,506 V, TC 25 ppm/°C en rango -55 a 125 °C. Sensibilidad de línea (LS) 0,08 ‰/V. Sin capacitor de filtro, PSRR 76 dB a bajas frecuencias, sobre 46 dB hasta 1 MHz.

Introducción

La referencia de voltaje es módulo central en sistemas electrónicos, usada ampliamente en electrónica médica, gestión de potencia, sensores ambientales inalámbricos y circuitos de comunicación. Con mejora tecnológica, área de chip se reduce, capacidad anti-interferencia aumenta, y requisitos para optimización estructural e inmunidad al ruido de referencia de voltaje aumentan dramáticamente, especialmente en aplicaciones nanoescala.

Circuitos BGR convencionales requieren bloques de circuito adicionales para proporcionar corriente de polarización para todo el circuito, aumentando área y consumo. La corriente de polarización generada se ve muy afectada por temperatura, afectando TC del voltaje de referencia. Se han reportado muchas técnicas de compensación de alto orden para TC mejorado: compensación de curvatura por tramos, compensación de curvatura exponencial, compensación raíz cuadrada basada en fuga (LSRC), etc. Otra desventaja del BGR convencional es que se ve muy afectado por entorno externo y voltaje de salida es inestable, foco de este artículo.

PSRR es parámetro importante para medir inmunidad al ruido de referencia de voltaje. Soluciones convencionales para mejorar PSRR cuestan área de chip y consumo: amplificadores adicionales, transistores de canal largo, estructuras cascode, etapa de ganancia adicional, etc. Atenuador activo y compensación de adaptación de impedancia se adoptaron para mejorar PSRR a bajas y altas frecuencias respectivamente. Espejos de corriente cascode usados para mejorar PSRR. Polarización de cuerpo y técnicas de realimentación negativa usadas para alto PSRR.

Para superar estos problemas, se propone BGR auto-polarizado mejorado con alto PSRR. Dos bucles de realimentación se realizan simultáneamente para mejora PSRR: LNFL y GSBL. Mientras tanto, se logra fuente de corriente auto-polarizada (SBCS) para todo BGR. En estado estable, BGR propuesta se auto-alimenta a través de GSBL sin módulos adicionales de corriente de polarización y área de chip. La técnica presentada separa voltaje de alimentación del voltaje de referencia de salida a través de amplificador de corriente embebido en GSBL, mejorando efectivamente PSRR. Además, para prevenir inestabilidad de voltaje de salida, se diseña LNFL en terminal de voltaje de salida para mantener voltaje estable. Además, voltaje de referencia estable en temperatura se genera con LNFL y GSBL de manera multiplexada. Con estos métodos, BGR auto-polarizado con mejora alta PSRR se implementa con estructura compacta y consumo de corriente.

Método

Como se muestra en Fig. 1, circuito BGR propuesto consiste en circuito de arranque, amplificador de corriente, amplificador operacional y núcleo de referencia de banda prohibida. Circuito de arranque elimina punto degenerado cero. Voltaje de offset incorporado en amplificador se establece proporcional a voltaje PTAT, realizando corriente PTAT a través de resistor R1. Con TC positivo de voltaje a través R1 y R2, TC negativo de VBE(Q5) y VBE(Q4) se cancela apropiadamente para lograr voltaje de referencia estable en nodo VREF. Simultáneamente, LNFL formado con ayuda de amplificador mejora rendimiento. Combinado con amplificador de corriente en parte superior Fig. 1, GSBL se realiza para mayor mejora PSRR. Implementación detallada en Fig. 2.

Circuito de arranque

Circuito de arranque en parte izquierda Fig. 2. Al inicio, voltaje VREF en nivel bajo, mantiene MN8 y MN9 apagados. Corriente a través MP1_1 genera corriente de arranque a MP5, donde MP1_1 actúa como gran resistencia con ratio de aspecto muy pequeño. Voltaje en VREF se carga gradualmente por corriente de arranque. Cuando voltaje en VREF supera voltaje mínimo de operación de parte núcleo BGR, corriente de polarización para amplificador se genera. Esto lleva BGR a punto de operación deseado. Al mismo tiempo, transistores MN8 y MN9 se encienden gradualmente, cambiando corriente de alimentación de MP5 a corriente auto-polarizada generada en núcleo BGR. Tras completarse arranque, corriente de arranque no se apaga para re-ajuste de VREF por si voltaje de referencia cae por alguna razón.

Generador SBCS

Hay dos bucles SBCS en BGR propuesta, útiles para mejora rendimiento. El primero está en corriente de cola del amplificador. Corriente PTAT a través transistor Q4 se espeja en Q3. Sin embargo, corriente a través Q4 determinada por voltaje a través resistor R1, clampado a voltaje offset de entrada del amplificador. Debido a mismos ratios de aspecto MP7 y MP8, voltaje offset entrada amplificador se expresa: VOS = VT ln N, donde N ratio área Q1 y Q2, VT voltaje térmico. Por tanto, corriente en amplificador y núcleo BGR es corriente PTAT: IR1 = VT ln N / R1. Corriente de núcleo BGR se espeja en amplificador como corriente de cola, formando primer bucle auto-polarizado.

Segundo bucle SBCS formado con amplificador de corriente. Corriente PTAT (ec. 2) se espeja en amplificador de corriente por espejo corriente MP7 y MP6. Luego corriente I amplificada por K como fuente de corriente a nodo VREF: K = k1 k2, donde k1 = SMN6/SMN7, k2 = SMP3/SMP2, Si ratio aspecto transistor i. Por tanto, corriente KI re-inyectada en amplificador y núcleo BGR, construyendo segundo bucle auto-polarizado.

Para garantizar operación adecuada con bajo consumo, corriente KI debe ser ligeramente mayor que corriente mínima requerida de amplificador y núcleo BGR. En diseño propuesto, corrientes a través MP6, MP7, MP8 se fijan mismo nivel I. Corriente a través núcleo BGR 2I. Por tanto, relación 6 ≥ K > 5 debe satisfacerse.

Circuito generador VREF

Circuito generador VREF en parte derecha Fig. 2, consiste en amplificador y núcleo BGR. Como ec. (2), voltaje offset PTAT del amplificador se multiplexa por bucles SBCS. Esto hace corriente a través R1, R2, RTrimming sea corriente PTAT, usada como compensación de temperatura de TC negativo de Q4 y Q5. Voltaje referencia generado VREF: VREF = 2VBE + (1 + (R2 + RTrimming)/R1) VT ln N. Con ajuste ratio (R2 + RTrimming)/R1, voltaje referencia compensado en temperatura se realiza con bajo deriva térmica.

Realimentación

LNFL establecido en amplificador y núcleo BGR, formado por dos pequeños LNFLs. Primero, loop1, desde entrada amplificador a VREF, realimenta a entrada amplificador. Segundo, loop2, desde VREF a través núcleo BGR a corriente cola amplificador, realimenta a VREF. Para loop1, hay bucles locales doble realimentación positiva y negativa con entrada amplificador. Bucle realimentación positiva: Q5, R2, R1, Q1, MP8, MX. Bucle realimentación negativa: Q5, R2, Q2, MX. Ganancia bucles positiva y negativa derivada. Como efecto bucle negativa más fuerte que positiva, loop1 comporta como bucle realimentación. Característica bucle loop1 expresada. Polo dominante p0 ≈ 1/(ro,MP8 C1). Respecto loop2, rendimiento dado. Polo dominante p1 ≈ gm,MP8/C1. Ganancia total bucle LNFL expresada. Considerando ec. (2), ec. (11) reescrita. Cero z0 ≈ gm,MP8/[C1(1 + 1/ln N)]. Como N=8 en diseño propuesto, cero z0 aproximadamente igual a dos veces polo p1, extendiendo ancho de banda bucle LNFL por dos.

GSBL formado por amplificador corriente, núcleo BGR y amplificador, que proporciona corriente polarización para todo circuito en método auto-polarizado con PSRR mejorado. Ganancia bucle GSBL dada. Efecto principal transistor MX reducir impedancia equivalente en VREF para compensación bucle. TGSBL fijado menor que uno en diseño propuesto, evitando oscilación.

Con ayuda LNFL y GSBL, estabilidad de voltaje referencia VREF mejora grandemente.

PSRR de referencia de voltaje propuesta

Para simplificar cálculo PSRR, resistencia equivalente de parte alimentada por voltaje referencia VREF calculada primero. Diagrama cálculo Fig. 3. Fig. 4a muestra modelo pequeña señal para cálculo resistencia equivalente ramas 1,2 donde corrientes I1, I2 fluyen Fig. 3. Resistencia equivalente Req1,2 expresada. Puerta voltaje MP6 determinado por voltaje drenaje MP7, atenuación ruido fuente alimentación (PSNA) en nodo M calculada. Como ec. (15), ruido alimentación tiene poca influencia en voltaje fuente-puerta MP6. Esto hace MP6 actuar como alta impedancia ro,MP6, separando impactos ruido de amplificador y núcleo BGR.

Resistencia equivalente rama I3 Fig. 3 derivada Fig. 4b. Modelo pequeña señal resistencia equivalente rama I4 Fig. 3 mostrado Fig. 4c. Resistencia equivalente pequeña señal total amplificador y núcleo BGR partes Fig. 3: Req = Req1,2 || Req3 || Req4. PSRR total referencia voltaje propuesta ilustrada Fig. 5. PSRR dada por ec. (19). Como gm ro >> 1 generalmente válido, influencia ruido alimentación en voltaje referencia generado suprimida grandemente.

Resultados y discusión

Referencia voltaje implementada en proceso BCD 180 nm, layout Fig. 6, ocupa área activa 0,05690 mm². Formas de onda arranque simuladas Fig. 7 ilustran procedimiento transitorio con establecimiento voltaje alimentación. Cuando voltaje alimentación pequeño, circuito referencia no opera totalmente, corriente rama arranque muy pequeña y voltaje referencia mantenido en cero. Con aumento voltaje alimentación, voltaje referencia primero estable ~2VBE por operación anómala parte amplificador Fig. 2. Cuando voltaje alimentación supera mínimo requerido BGR propuesto, amplificador operacional núcleo comienza trabajar, voltaje referencia se estabiliza rápidamente en valor deseado. Además, corriente arranque cae ~cero con voltaje referencia deseado, mientras SBCS propuesta toma lugar suministro corriente con GSBL. Consumo potencia circuito arranque representa pequeña parte chip.

Características temperatura voltaje referencia VREF Fig. 8. Variación VREF en rango -55°C ~ 125°C es 11,3 mV, TC 25 ppm/°C logrado. Fig. 9 demuestra sensibilidad línea (LS) voltaje referencia. BGR propuesta establece exitosamente sobre 3 V alimentación, variación VREF 0,2 mV dentro 3-5 V alimentación. LS 0,08‰/V realizado. PSRR mejorada Fig. 10: 76 dB bajas frecuencias, sobre 46 dB hasta 1 MHz.

Método recorte binario convencional adecuado para BGR propuesta, adopta recorte 8-bit para RTrimming. Paso recorte 9 mV/LSB. Tabla 1 muestra rendimiento referencia recortada con 3-5 V alimentación y -55 a 125 °C bajo diferentes esquinas proceso: típico, lento, rápido. Deriva temperatura dentro 0,6%, LS bajo 0,12‰/V, PSRR sobre 71 dB@10 Hz. Tabla 2 resumen características referencia propuesta y comparación con referencias reportadas. Como referencia propuesta apunta alta estabilidad alimentación, no se usa compensación temperatura alto orden. TC de referencias que focan en temperatura/optimización potencia menor que propuesta. TC propuesta puede optimizarse con métodos compensación curvatura reportados. Con estructura compacta propuesta, LNFL y GSBL realizados con voltaje referencia independiente temperatura simultáneamente, mejor PSRR y LS en Tabla 2.

Conclusión

Se presenta BGR auto-polarizado compacto con alto PSRR. Voltaje PTAT implementado por amplificador operacional con voltaje offset entrada asimétrico, y voltaje temperatura negativo superpuesto para generar voltaje referencia salida. Simultáneamente, dos bucles realimentación LNFL y GSBL realizados con mismas partes para estabilidad temperatura, reduciendo complejidad estructural. Esto conduce a auto-suficiencia corriente alimentación y mejora sensibilidad alimentación con alto PSRR.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio incluidos en artículo publicado.

Abreviaturas

BGR:

Referencia de banda prohibida

PSRR:

Relación de rechazo de fuente de alimentación

TC:

Coeficiente de temperatura

PTAT:

Proporcional a temperatura absoluta

LNFL:

Bucle local de realimentación negativa