Referência de Tensão Bandgap

- Dalton Colombo

- Prof. Gilson Wirth

Porto Alegre - 06/06/07

Programa de Pós-Graduação em

Microeletrônica

Eletrônica 3 – Prof. Eric Fabris

Programação

• Referência de tensão

• Referências de tensão simples

• Conceito Bandgap

• Topologia nº 1

• Topologia nº 2

• Topologia nº 3

• Variabilidade nos circuitos Bandgap

• Ruído na tensão de referência

Referência de tensão

• “Referência” x “fonte”: Tensão ou corrente mais precisa.

• Características desejadas:

� Independência de VDD.

� Independência e previsibilidade

em relação a Temperatura.

� Independência do processo de fabricação.

� Independência da carga conectada. (Uso de Buffer isolador)

� Low power – Low voltage.

� Baixo ruído de saída.

• Aplicações: AD´s, DA´s, Reguladores, ...

Referências de tensão simples (1/2)

∂∂

=VDD

VREF

VREF

VDDS

VREF

VDD*

+=

21

2*

RR

RVDDVREF

1=VREF

VDDS

22

VDDVGSVREF ≡=

1=VREF

VDDS

≈=ISR

VDD

q

TKVVREF BE

*ln.

*

036.0

ln

1≈

=

IS

IS

VREF

VDD

+=

1

21*

R

RRVVREF BE

β.2

R

VDDVTVREF +=

+=1

21

R

RVGSVREF

26.0

.2

.1

5.0≈

+

=

VDD

RVT

SVREF

VDD β

Referências de tensão simples (2/2)

�

� Coeficiente de temperatura (TC) ≈ 3 mV/º C (Avalanche)

� VB ≈ 6.5 a 7.5 V �

0044.0* ≈

+=

RzR

Rz

VB

VDDS

VREF

VDD

VDDRRz

RzVREF

+=

Supply-Independent Biasing

+=

RonR

VDDI REF

1

( )( )

1

2

1/11 LW

LW

gmR

VDDIout ⋅

+∆

=∆

+=

RonR

VDDI REF

1

( )

2

2

11

12

−⋅⋅

⋅⋅=

KRLWCI

SNoxn

out µ

Independência de VDD!↑ L ↓ Efeito de corpo

IREF é “Bootstrapped”

Conceito Bandgap (1/5)

21 21 VVVREF ⋅+⋅= αα

T

V

T

V

∂

∂+

∂

∂⋅= 21 .210 ααnegativa

T

V=

∂

∂ 1 positivaT

V=

∂

∂ 1

Como gerar V1 e V2?

�Tensão VBE do Bipolar é bem reprodutível e definida.

Também é possível gerar V1 e V2 a partir:

(a) ≠ de VT entre transistores de enriquecimento e depleção.

(b) ≠ de VT de PMOS e NMOS do tipo enriquecimento.

( ii )

( i )

Conceito Bandgap (2/5)

−⋅⋅=

T

GBE

CV

VVTAJ 0expγ

0ln G

C

TBE VTA

JVV +

⋅⋅=

γ

⋅−+

−=

∂

∂=

q

k

T

VV

T

V GBE

TT

BE )(0

0

0 γα CmVT

VkT

BE °−≈∂

∂= /2.2300

⋅

⋅⋅=⋅=−=∆

21

21

2

1

21 lnlnII

IIVT

J

JVVVV

S

S

C

C

TBEBEBECmV

T

V

T

V TT °+≈=∂

∂/087.0

A tensão VBE tem T.C negativo

A tensão ∆∆∆∆VBE tem T.C positivo

Conceito Bandgap (3/5)

( )0

0

0

00

20

0 ln"0T

V

T

VV

J

J

T

VK TGBE

C

CIT ⋅−+

−+

=

γα000

2

)(ln" TBEG

C

CI VVVJ

JK ⋅−+−=

⋅ αγ

Fazendo α1 = 1, e sabendo os valores de

Fisicamente...

Portanto, 2.25ln". 2

2

≈≈

α

C

CI

J

JK

TBEREF VVV ⋅+⋅= 21 ααEm (ii), fazendo V1 = VBE e V2 = ∆VBE temos:

T

VBE

∂

∂

T

VBE

∂

∆∂e

α2≈ 25.2 que satisfaz (i).

TBEREF VVV ⋅+= 2α

, encontramos

(iii)

Equação clássica

Conceito Bandgap (4/5)

Encontrado α2, podemos substituí-lo em (iii) e encontrar o valor de

VREF para temperatura de operação T0:

)(00 αγ −+== TGOTTREF VVV

00 GREF VVT →∴→Para O porquê do nome “Bandgap”

Geração da corrente IPTAT

(Proportional To the Absolute

Temperature) e da tensão VT:

γ ≈ 3.2 ; α ≈1;VG0 = 1.205 V

P/ 300 K, Vref ≈ 1.262 V

Conceito Bandgap (5/5)

Curvatura típica da curva

Vref x Temp

Variando T0, modifica-se

o ponto de derivada zero

da curva VREF x Temp.

n

n

BE

Ta

TaTaaV

++

++=

...

2

210

Topologia BGR1 (1/2)

TBEREF VR

RnVV ⋅

+⋅+=3

21)ln(2TBEREF Vn

R

RVV ⋅⋅+= )ln(

3

21 ou

�Realimentação negativa garantida

pois βN > βP; preferencialmente por

um fator 2.

� A1 garante a mesma tensão nos

pontos X e Y. Curto circuito virtual

entre as entradas de A1.

� Fazendo R1 = R2, temos I1 = I2=IREF

≈ 25,2

232

32

1

1

RRg

Rg

m

m

N ++

+=β

11

1

1

1

Rg

g

m

m

P +=β

3R

VI BE

REF

∆=

Topologia BGR1 (2/2)

Transistor Bipolar PNP

Vertical

Curvatura típica

VREF (V)

@ 27ºC

∆VREF_TEMP

(mV)

Line Regulation

(%/V)

@ 27ºC

Supply

Voltage

(V)

Supply

Current

(µA)

BGR 1.20640 2.37

(34 ppm/°C)

0.46 3.3 358

Limitação: Como

o coletor é o

próprio substrato,

deve-se conectá-

lo ao Terra ou VSS

0.35

µm

Topologia BGR2 (1/2)

TBEREF VmR

RVV ⋅⋅+= )ln(

1

23

• Uso de uma polarização

independente de VDD

• Nós A e B têm tensões iguais

1R

VI BE

REF

∆=

Topologia BGR2 (2/2)

Não aplica técnicas de minimização

do impacto da variabilidade.

Ex: Configuração centróide comum!

0.35

µm

VREF

(V) @

27ºC

∆VREF_TEM

P

(mV)

Line

Regulation

(%/V)

@ 27ºC

Supply

Voltage

(V)

Supply

Curren

t (µA)

BGR 1.20816 2.05

(33

ppm/°C)

0.93 3.3 56

Layout Didático

Topologia BGR3 (1/2)

⋅⋅⋅=

T

GS

DDVn

VI

L

WI exp0

No regime subthreshold

(inversão fraca), ID tem

comportamento exponencial.

ID0 = parâmetro que depende do

processo, VSB e VT

N = fator de inclinação

subthreshold.

Em subthreshold, ID é pequena,

ocasionando pouca dissipação de

potência - sendo útil para

projetos de Bandgap low-power

Topologia BGR3 (2/2)

⋅⋅⋅≈

T

GS

DDVn

VI

L

WI exp0

⋅=

32

411

.ln.

SS

SSVV TR

⋅

⋅⋅

⋅

⋅=

32

41

13

6 lnSS

SS

RS

VSI T

E

⋅

⋅⋅

⋅

⋅⋅+=⋅+=

32

41

31

62

525 lnSS

SS

SR

VSRVRIVV T

BEEBEREF

Variabilidade em BGR´s (1/4)

• As principais fontes de erro que afetam os circuitos Bandgap são:

� Descasamento dos Espelhos de corrente

� Descasamento e Tolerância de Resistores

� Variação de VBE

� Erro devido ao processo de encapsulamento (Package)

• Essas fontes de erro ocasionam valor de VREF 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 (VOS), que varia com a Temp. e introduz erro em VREF.

Variabilidade no BGR1 (2/4)

( )OSTBEREF VVnR

RVV −⋅⋅

++= )ln(3

212

VOS é amplificado por 1+ (R2/R3)!!!

( )OSTBEREF VVmnR

RVV −⋅⋅

++⋅= )ln(23

212 2

VREF ≈ 2,5 V

I1≈I2

Variabilidade no BGR2 (3/4)

Simulação Monte Carlo de VREF

Simulação Monte Carlo de ∆VREF

Estima-se o impacto do processo da fabricação e Mismatching através

da Simulação Monte Carlo.

Parâmetros como VT0, U0, Tox

são variados de acordo com a

tolerância da fabricação.

Monte Carlo BGR2

VREF (V)

(mean ± σ)

1.2091 ±

0.0145

∆VREF_TEMP (mV)

(mean ± σ)

4.893 ± 2.737

∆VREF_TEMP (mV)

(worst case) mean ± 3σ13.104

Variabilidade no BGR2 (4/4)

Circuito de Ajuste (Trim circuit): Técnica usada para minimizar o

impacto do processo de fabricação.

TBEBEREF VmR

RVRIVV ⋅⋅+=⋅+= )ln(

1

23213

1R

VI BE

REF

∆=

Conectando Mx e/ou My, estamos alterando o coeficiente

multiplicativo de VT.

Ruído na Tensão de Referência

Device % Device % Device %

OA.MN1

(fn)

19.27 OA.MN0

(id)

11.61 MP0

(id)

1.72

OA.MN0

(fn)

19.11 MP0

(fn)

11.61 MP1

(id)

1.72

OA.MP3

(id)

12.36 R3 3.16 Q8 1.11

OA.MP0

(id)

12.35 MP0

(fn)

1.81 OA.MP3

(fn)

0.53

OA.MN1

(fn)

11.68 MP1

(fn)

1.81 Others 1.23

Flicker Noise dos NMOS´s

(OpAmp) maior contribuição!

Ruído = 0.172 mV em 500k de BW

Spectrum

Conclusão

• Referências de tensão Bandgap são blocos essenciais no

projeto de diversos circuitos integrados.

• Dependência de VREF em relação a temperatura de

operação: 100 ppm/ºC até menos que 10 ppm/ºC.

• Existem diferentes topologias.

• Atualmente, existe uma demanda para projeto de Bandgap

de alta precisão (2º ou 3º ordem) e que seja Low-Power

Low-Voltage.

• Ruído e dependência do processo de fabricação devem ser

minimizados.

Obrigado.

dmcolombo@inf.ufrgs.br