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1

PGMicro – MIC46 Projeto de Circuitos Integrados Analógicos MOS

= Circuitos de Referência =

Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] UFRGS – Escola de Engenharia

Departamento de Eng. Elétrica

H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2

Sumário

Introdução

Referência em Vdd, em Vbe e Vgs

Diodo Zener

Independência de Vdd e de T

Polarização em corrente

Band-Gap Reference

Referência usando VT

Referências diversas

2


Introdução

Referências ideais de tensão e corrente:

Na realidade, o valor de uma

referência depende de:

•Tensão de alimentação

•Temperatura


Introdução

Divisor de tensão utilizando transistores como carga ativa:

•Dependência direta em VDD

VREF é proporcional a VDD

•Dependência em T atenuada

-com R, muito atenuada

-com MOSFETs, depende das

derivas térmicas do N e do

PMOS

3


Introdução

Junção BE de bipolar como referência de tensão:

•Redução de dependência em VDD

•Sem compensação térmica

SDDDDDD

REFREFV

V

S

DDREF

SCEBREF

DDEBDD

RIVVV

VVS

RI

V

q

kTV

IIq

kTVV

R

V

R

VVI

REF

DD ln

1

/

/

ln

ln


Introdução

Junção BE de bipolar como referência de tensão:



1

21

R

RRVV EBREF

4


Introdução

Referências de tensão baseada em VGS:



(a) (b)


Introdução

Referências de corrente baseadas em VBE e VGS :

•Redução de dependência em VCC ou VDD


5


Diodo Zener

Diodo Zener como referência de tensão:


Diodo Zener


DD

z

zref v

Rr

rv

(a) polarização

(b) sinal

6


Diodo Zener



Polarização em Corrente

Referência de corrente baseada em VGS:

•Independente de VDD


•Startup!

•Gm constante!

7

KLW

LW

Rg

LWkIg

N

bias

S

m

Dm

11

)(

)(2

:Ipor I dosubstituin

2

outD






•Startup!

•Gm constante!






•Startup!

8




•Startup!


Referência de corrente baseada em JUNÇÃO:


Referências de V e I

Fonte de corrente proporcional à temperatura absoluta (IPTAT):

nqR

kTn

R

VI

nI

I

I

IVRI

I

I

I

IVRI

VVRI

IIVV

qkTV

TOUT

IN

S

S

INTOUT

C

S

S

CTOUT

EBEBOUT

SCTEB

T

lnln

ln

ln

ln

2

1

21

9



Fonte de corrente proporcional à temperatura absoluta (IPTAT):

nqR

kTn

R

VI

nI

I

I

IVRI

I

I

I

IVRI

VVRI

IIVV

qkTV

TOUT

OUT

S

S

OUTTOUT

C

S

S

CTOUT

EBEBOUT

SCTEB

T

lnln

ln

ln

ln

2

1

21


Referências Band Gap

Referência de tensão tipo Band-Gap:

•Compensada contra variações de VCC

•Compensada contra variações térmicas de

primeira ordem

2,23

)()()( 00

k

qM

q

kTV

TTTVTV

T

BEBE

10





Referência de tensão tipo Band-Gap:

11

0

2

1

3

2

1

2

2

1

3

2

1

1

11

22

11

121

0022

1223

232

ln

:para seAjusta

ln

ln

)()()(

TE

E

E

E

E

S

S

EEBEB

EBEB

EBREF

A

A

R

R

qR

kR

A

A

R

R

qR

kTI

AI

I

I

AI

qR

kT

R

VVI

TTTVTV

IRIR

IRVV



Referência de tensão tipo Band-Gap (exemplo):

2

1

3

2

1

22 ln

E

EEBREF

A

A

R

R

q

kT

R

RVV


Band Gap: Corrente de Ref

Referência de corrente baseada em Band-Gap (exemplo):

1

2

4 LW

LW

R

VI REF

REF

12



Acoplamento de Interferência entre circuitos polarizados:

A perturbação causada pelo

circuito polarizado pelo nó

‘N’, se acopla

capacitivamente ao nó ‘P’,

sendo propagada aos outros

ramos.

O uso de CB atenua a

interferência



Acoplamento de Interferência entre circuitos polarizados:

CUIDADO:

comportamento

INDUTIVO!

Impedância do nó ‘P’

13



LM113 – Primeiro Band-gap comercial – Widlar, 1971

0

1

4

5

4

1

4

5

2

2

1

55

212

0044

4

112

111244

ln

:para seAjusta

ln

ln

)()()(

T

C

E

S

S

EBEBEC

BEBE

CC

CBECBEREF

R

RN

qR

kR

R

RN

qR

kTI

I

I

I

I

qR

kT

R

VVI

TTTVTV

R

IRI

IRVIRVV

Obs: Resistores ‘200’ e ‘170’ servem

pra ajustes de 2ª ordem apenas.



AD580 – Band-gap comercial – Brokaw, 1974

4

3

1

21

1

2

1

11

21

21

110ln2

10ln2

:para seAjusta

10ln

10ln

2

0

R

R

qR

kRVV

qR

kR

qR

kTI

I

I

I

I

qR

kT

R

VVI

RIVV

BEOUT

T

E

E

S

S

EBEBEE

EBEB

14



LM117 – Regulador de Tensão Série

Célula tipo Brokaw acrescida de um

regulador de tensão série, resultando

em um regulador ajustável.



LM10 – Referência Band-gap para baixa tensão – Widlar, 1978

Opera com tensão de

alimentação até 1,1V!

15



AD1580 – Regulador de Tensão Paralelo, 1996


Band Gap CMOS

Referência de tensão tipo Band-Gap em CMOS

0

ln

:para seAjusta

ln

)()()(

1

2

4

5

14

55

0033

523

T

BEBE

EBout

nR

R

q

k

LW

LW

TnqR

k

LW

LWI

TTTVTV

IRVV

16


Band Gap CMOS

Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35

Esquemático

H. Klimach, 2002

STARTUP PTAT VBE+IR

VCC=3.3V

0

GND

VS

O

VCC

VGG

VO

VS

UB

Q5 MODP

Q2

MODN

Q40

MODN Q7

VERT10

Q8

VERT10

Q9

VERT10

R1

5k

R2

5k

Q4

MODP

Q38

MODN

Q6

VERT10

Q3

MODP

Q39

MODN

Q1

MODN


Band Gap CMOS

0

GND

VS

UB

VSO

VO

VSO

VS

O

TR

IM3

VG

G

VG

G

VCC

VSO

VO

VS

UB

VO

VG

G

VSO

TR

IM2

VGG

VS

UB

TR

IM0

TR

IM1

VSO

VG

G

VS

UB

VS

UB

VG

G

VO

VSO

VO

VO

VS

UB

Q5MODP

Q2

MODN

Q40

MODN Q7

VERT10

Q8

VERT10

Q9

VERT10

R1

5k

R2

5k

Q4

MODP

Q38

MODN

Q6

VERT10

Q3

MODP

Q39

MODN

Q1

MODN

Q31

MODP

Q18

MODP

Q33

MODP

Q22

MODP

Q12

MODP

Q20

MODP

Q35

MODP

Q15

MODP

Q30

MODP

Q23

MODP

Q17

MODP

Q37

MODP

Q14

MODP

Q21

MODP

Q19

MODP

Q32

MODP

Q11

MODP

Q29

MODP

Q36

MODP

Q13

MODP

Q34

MODP

Q24

MODP

Q10

MODP

Q27

MODP

Q16

MODP

Q26

MODP

Q28

MODP

Q25

MODP


Esquemático

H. Klimach, 2002

STARTUP PTAT VBE+IR

Fator de ganho de corrente de Q5

VCC=3.3V

17


Band Gap CMOS


Dependência térmica versus trimming


Band Gap CMOS

V_V1

2.2V 2.4V 2.6V 2.8V 3.0V 3.2V 3.4V

V(VO)

1.20V

1.21V

1.22V

1.23V

+150

+100

+50

0

-50

Temp=


Dependência térmica versus alimentação (Vcc)

18


Band Gap CMOS

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms

V(VO) V(Q4:g) V(Q1:g)

0V

2.0V

4.0V


Processo de startup


Band Gap CMOS


Layout

19


Band Gap CMOS


Simulação Monte Carlo


Band Gap CMOS


Microfotografia

20


Band Gap CMOS


Mais informações

•J. P. Martinez Brito, S. Bampi, and H. Klimach, “A design methodology for

matching improvement in bandgap references”, Proc. IEEE International

Symposium on Quality Electronic Design, ISQED 2007, pp. 586 – 594,

March 2007.

•J. P. Martinez Brito, S. Bampi, and H. Klimach, “A 4-bits trimmed CMOS

bandgap reference with an improved matching modeling design”, Proc.

IEEE International Symposium on Circuits and Systems, ISCAS 2007, pp.

1911 – 1914, May 2007.


Sub-Band Gap CMOS

Referência de tensão tipo Band-gap sub-1V

21


Sub-Band Gap CMOS

Referência de tensão tipo Band-gap sub-1V



Referência de tensão baseada em VTN e VTP

22




CmV

CmV

TTTVTV

TTTVTV

P

N

PTPTP

NTNTN

/º20,0

/º13,0

)()()(

)()()(

00

00




23



Outra Referência de tensão baseada em VTN e VTP


Band Gap de Junção Única

Referência de tensão BG com junção única

24


Band Gap de Junção Única

Referência de tensão BG com junção única


Referência usando VT de JFET

XFET voltage reference – Analog Devices, 1997

J1: XFET = extra ion

implantation JFETs

Ótima estabilidade térmica e

baixo ruído.

25


BGR a Capacitor Chaveado

Switched Capacitor BGR

• Variabilidade devido à fabricação (processo e mismatch) de CAPACITORES é

menor que de RESISTORES

• CAPACITORES usam área de forma mais eficiente que RESISTORES

Klimach, Torres,

Costa e Bampi - SBCCI 2013

50

• Ia ≈ I

b (present mismatch 2ΔI)

• OpAmp presents Vos * Stable Vref after 5 phases


26

51

Phase 1: )( IIVV EBCa


52

Phase 2: )( IIVV EBCb


27

53

Phase 3:

OSTC

OSEBEBC

EB

VV

VIVIVV

IVV

)2ln(

)()2(

)(

1

1

Voltage averaging: reduction of bias current mismatch impact


54

Phase 4:

)2ln(2

12

1

TC

OSC

C

CV

VV


28

55

Phase 5:

)2ln()2(

)2(

2

1

2

TEBREF

COSOSEBREF

C

CIVV

VVVIVV

Tq

k

C

CTIVV

TIVIVSince

BGREF

BGEB

)2ln()2(

)2()2(:

2

1


56

Comparação do SCBGR com BGR tradicional:


29

57



58



30

59

Sub-BGR MOS Low-Power

Klimach, Mattia e Bampi –

LASCAS 2014

60

Comportamento térmico:


31

61

Dependência com Vdd e PSRR:


62

Variabilidade com Processo e Mismatch


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