Безрезисторный источник опорного напряжения в наномасштабе с низким энергопотреблением и высоким PSRR

Введение

Опорное напряжение - один из основных модулей в электронных системах, который широко используется в медицинской электронике, системах управления питанием, беспроводных датчиках окружающей среды и схемах связи. Поскольку напряжение питания электронных систем продолжает снижаться по мере совершенствования технологий, требования к опорному напряжению малой мощности с наноразмерной технологией резко возрастают [1, 2].

Обычные источники опорного напряжения основаны на схеме опорного напряжения запрещенной зоны (BGR), которая представляет собой взвешенную сумму V _BE и тепловое напряжение [3, 4]. Однако из-за нелинейного температурного поведения V _BE , необходимо использовать подходы компенсации кривизны для повышения точности BGR [5, 6]. Еще один недостаток БГР - энергопотребление. V _BE составляет около 0,7 В без уменьшения с улучшением процесса, что полностью ограничивает напряжение питания. Это делает BGR непригодными для низковольтных и наноразмерных приложений.

Чтобы добиться работы с низким энергопотреблением, постепенно используются только МОП-опорные подпороговые напряжения [7,8,9,10]. Поскольку транзисторы в области слабой инверсии имеют неотъемлемые преимущества в приложениях с низким энергопотреблением и довольно малым током, потребление энергии относительными источниками опорного напряжения может быть эффективно снижено. Кроме того, поскольку характеристики полевого транзистора металл-оксид-полупроводник (MOSFET) согласуются с улучшением процесса, опорное напряжение на основе MOSFET более адаптируется к передовым технологиям. Кроме того, следует избегать использования резисторов в приложениях с низким энергопотреблением. Поскольку ток в источнике опорного напряжения обычно обратно пропорционален значению сопротивления, малое рассеяние мощности означает наличие высокоомных резисторов [10], которые могут вызвать большой шум, занимающий большую площадь кристалла.

Коэффициент подавления источника питания (PSRR) - еще один важный параметр опорного напряжения. Традиционные решения для улучшения PSRR, такие как дополнительные усилители [11], транзисторы с длинным каналом [12], каскодные структуры и дополнительный каскад усиления [13], заключаются в уменьшении площади кристалла и потребляемой мощности.

Чтобы преодолеть упомянутые выше проблемы, в этом кратком описании предлагается безрезисторный эталон подпорогового напряжения на основе нановаттного полевого МОП-транзистора с высоким PSRR, который подходит для передовых технологий, таких как наноразмерный процесс. В предлагаемом опорном напряжении используется самосмещенный делитель напряжения MOSFET для повышения PSRR, который может генерировать ток с положительным температурным коэффициентом (TC), содержащий характеристики порогового напряжения. Ток служит токами смещения для всего опорного напряжения. Кроме того, пороговое напряжение, заложенное в ток смещения, воспроизводится путем подачи тока смещения в полевой МОП-транзистор с различными пороговыми напряжениями в бумаге. В предлагаемом методе дельта-пороговое напряжение ( ∆V _TH ) с сильно уменьшенным отрицательным TC. Кроме того, также получается взвешенный элемент, пропорциональный абсолютной температуре (PTAT), а взвешенная сумма ∆V _TH и напряжение PTAT реализуется одновременно. Из-за взаимной компенсации TC двух различных пороговых напряжений требуемое напряжение PTAT может быть значительно снижено для температурной компенсации. С помощью этого метода безрезисторный источник опорного напряжения, содержащий только полевые МОП-транзисторы, достигается за счет компактной конструкции с низким энергопотреблением.

Метод

Как показано на рис. 1, предлагаемый источник опорного напряжения состоит из схемы запуска, генератора тока с самосмещением и V _REF схема генерации. Все n-канальные MOSFET представляют собой металл-оксид-полупроводник N-типа со средним пороговым напряжением (mvt NMOS). MP4 - это металл-оксид-полупроводник P-типа с высоким пороговым напряжением, а другие полевые МОП-транзисторы с p-каналом представляют собой PMOS со средним пороговым напряжением (mvt PMOS). Все транзисторы, показанные на рис. 1, работают в подпороговой области, за исключением схемы запуска.

Схема предлагаемого источника опорного напряжения

Цепь запуска

Цепь запуска состоит из MP5, MP6 и MN4. В начале этапа включения потенциал затвора MP6 низкий, и MP6 включен. Ток, генерируемый MP6, увеличивает потенциал затвора MN1 и MN2, и вся схема начинает работать. В то же время MP5 заряжает пусковой конденсатор MN4. В процессе зарядки MN4 транзистор MP6 постепенно отключается, что заставляет цепь запуска отключаться от сердечника предлагаемого источника опорного напряжения без дополнительного рассеивания мощности. Благодаря этому методу предлагаемый источник опорного напряжения может работать в желаемой рабочей точке, избегая точки вырождения.

Генератор тока с самосмещением

Средняя часть на рис. 1 представляет собой генератор тока с самосмещением, который основан на делителе напряжения только на полевых МОП-транзисторах. В этой части генерируется ток смещения с положительной TC для всего опорного напряжения, что соответствует среднему пороговому напряжению NMOS. Уникальная характеристика представленного тока смещения адаптирована для реализации предлагаемого источника опорного напряжения удобным способом, который будет проанализирован в разделе «Метод».

Что касается вольт-амперной характеристики транзистора в подпороговой области, ток стока транзистора в подпороговой области становится почти независимым от V _DS с V _DS > 4 V _T , где V _T =kT / q тепловое напряжение, k постоянная Больцмана, q - элементарный заряд, а T абсолютная температура. Следовательно, ток можно выразить как:

где S =W / L это соотношение сторон, м - подпороговый коэффициент наклона, V _TH - пороговое напряжение, а I _SQ представляет конкретный ток и представлен:

где μ мобильность оператора связи и C _OX - емкость оксида на единицу площади.

Следовательно, токи через делитель напряжения, состоящий только из MOSFET, образованный MN1, MN2 и MN3, можно выразить следующим образом:

где I _SQN - удельный ток NMOS и V _THN - пороговое напряжение NMOS.

Поскольку форматы MN2 и MN3 одинаковы и I _{D_MN2} =Я _{D_MN3} , V _{GS_MN2} = V _{GS_MN3} гарантировано. Это делает V _{GS_MN1} =2 V _{GS_MN2} . Кроме того, транзисторы PMOS образуют токовые зеркала и определяют отношения тока K ₁ =S _MP1 / S _MP2 и K ₂ =S _MP3 / S _MP2 . Связь между токами стока между MN1 и MN2 может быть выражена как:

В сочетании с уравнениями. (3) - (6), V _{GS_MN2} и я _{D_MN2} может быть выдан:

Для удобства анализа уравнение. (8) может быть сокращено как:

где a =S _MN2 μ _{n 0} C _OX ( м - 1) ( к / д ) ² и b = ln ( К ₁ S _MN2 / S _MN1 ) не зависят от температуры, μ _{n 0} - не зависящий от температуры фактор подвижности носителей, а n ₁ - член абсолютной температурной экспоненты подвижности носителей, который обычно составляет около 1,5.

Как показано в формуле. (9), пороговое напряжение В _THN дополняет абсолютную температуру (CTAT), а тепловое напряжение V _T пропорциональна абсолютной температуре (PTAT). При повышении температуры V _THN / ( мВ _T ) уменьшится, так что положительные токовые характеристики тока смещения будут улучшены.

С помощью этого метода положительный ток смещения TC достигается за счет структуры только MOSFET, которая имеет характеристики порогового напряжения NMOS.

V _REF Генерирующая цепь

V _REF Схема генерации показана в правой части рис. 1, которая образована всего двумя транзисторами MP3 и MP4. Из-за операции подпороговой области I _{D_MP4} можно записать как:

где I _SQP - удельный ток PMOS и V _THP это V _TH PMOS.

Поскольку я _{D_MP4} =K ₂ Я _{D_MN2} , характеристики порогового напряжения NMOS, В _THN , может быть передан на выходной узел и наложен на характеристики порогового напряжения PMOS, V _THP . Из уравнений. (8) и (10), V _REF можно записать как:

Как показано в первых двух пунктах уравнения. (11) реализуется дельта-пороговое напряжение. Поскольку V _TH = V _TH0 - βT , где V _TH0 - пороговое напряжение при 0 К и β является TC порогового напряжения, генерируемое дельта-пороговое напряжение является дополнением к напряжению абсолютной температуры (CTAT) с сильно уменьшенным TC с | βV _THP |> βV _THN . Кроме того, одновременно реализуются два дополнительных напряжения PTAT, которые показаны в последних двух пунктах уравнения. (11), которые используются для отмены пониженного TC порогового напряжения дельты. Таким образом, компактное термостабильное опорное напряжение достигается без сложной конструкции, которое стабильно при | V _THP0 | - V _THN0 .

Основываясь на предыдущем анализе, в этой статье реализован маломощный источник опорного напряжения на полевых МОП-транзисторах, для которого требуются только три ветви в сердечнике. Обладая уникальными характеристиками источника тока с самосмещением, один PMOS с диодным подключением используется для одновременного достижения напряжения CTAT с уменьшенным TC, генератором напряжения PTAT и взвешенным суммированием. Более того, предлагаемая структура построена только на полевых МОП-транзисторах, а генерируемое опорное напряжение пропорционально пороговому напряжению дельты. Таким образом, предлагаемый источник опорного напряжения больше подходит для приложений с низким энергопотреблением с наноразмерной технологией, которая может быть расширена на более продвинутые технологии.

PSRR предлагаемого эталонного напряжения

Чтобы проиллюстрировать производительность PSRR, пути от шума напряжения питания до V _REF и соответствующие схемы эквивалентных функций показаны на рис. 2.

Пути шума напряжения питания

На основе рисунка 2 модель слабого сигнала тракта 3 показана на рисунке 3, и можно получить следующее уравнение:

Модель слабого сигнала тракта 3

Из уравнения. (12), выражение шума подачи на пути 3 к узлу A может быть дано следующим образом:

Крутизна транзистора, работающего в подпороговой области, составляет g _м = Я _D / мВ _T . Следовательно, связь между g _{м, MP1} и g _{м, MN1} с тем же током можно задать как g _{м, MP1} = г _{м, MN1} . Тогда уравнение. (13) можно упростить как:

Узел B также влияет на узел A через путь 1, но эффект противоположен пути 3, который можно выразить как:

Для V _A =2 V _{GS, MN2} , усиление пути 2 определяется как:

Эффект v _дд на узле B через путь 4 можно записать как:

От узла A к узлу B на рис. 2 можно получить два дополнительных уравнения, а именно:

Согласно уравнениям (18) и (19) шум при V _B может быть выдан:

С помощью предложенного источника тока с самосмещением выходной узел части B генератора тока может отслеживать малосигнальное изменение напряжения питания, что полезно для улучшения PSRR всего опорного напряжения. P>

С помощью аналогичного метода коэффициенты усиления шума питания тракта 5 и тракта 6 могут быть представлены уравнениями. (21) и (22) соответственно:

Принимая во внимание взаимосвязь подключения шумового тракта эталонного генератора, показанного на рис. 2, влияние шума источника питания при эталонном напряжении В _REF , можно определить путем 5 и 6:

Для V _DS > 4 V _T , экспоненциальный член в уравнении. (23) очень большой. Это позволяет значительно повысить производительность PSRR с помощью V _{DS, MP3} увеличивается. В предлагаемой конструкции минимальное значение V _{DS, MP3} превышает 200 мВ, что означает, что изменение напряжения питания мало влияет на V _REF . Таким образом, предлагаемая структура имеет хорошие показатели PSRR.

Результаты и обсуждение

Опорное напряжение реализовано в 65-нм КМОП-процессе, схема которого показана на рис. 4 и занимает 0,00182 мм ² активная область.

Схема предлагаемой схемы

На рисунке 5 показано линейное регулирование предлагаемого источника опорного напряжения при 27 ° C. Как показано на рис. 5, минимальное напряжение питания может составлять всего 350 мВ, а генерируемое опорное напряжение В _REF , составляет около 148 мВ . Линейная чувствительность (LS) составляет 1,8 мВ / В.

Форма волны V _REF от напряжения питания

Температурные характеристики V _REF при напряжении питания 350 мВ показан на рис. 6. ТК V _REF составляет 28 ppm / ° C от -30 до 80 ° C. V _REF показывает положительные температурные характеристики ниже -15 ° C и выше 25 ° C, а отрицательные температурные характеристики в среднетемпературной области.

Температурная зависимость V _REF

На рисунке 7 показаны зависимости потребления тока от температуры при напряжении питания 350 мВ. Ток показывает положительный ТС. Потребляемая мощность при комнатной температуре составляет около 2,28 нВт.

Зависимость потребления тока от температуры

На рисунке 8 показан результат PSRR при 27 ° C и напряжении питания 350 мВ, где PSRR без конденсатора выходного фильтра превышает 53 дБ до 100 Гц. Как упоминалось выше, характеристики PSRR могут быть дополнительно улучшены с увеличением напряжения питания, что означает, что PSRR, показанный на рис. 8, является наихудшим случаем предлагаемого опорного напряжения.

PSRR предлагаемого источника опорного напряжения

Распределения необрезанного V _REF при 27 ° C со 100 образцами показано на рис. 9. Среднее значение и стандартное отклонение V _REF составляет 147 мВ и 3,97 мВ соответственно, что дает разброс (σ / μ) 2,7%.

Распределения необрезанного V _REF

В таблице 1 приведены характеристики предлагаемого источника опорного напряжения и их сравнение с некоторыми ранее опубликованными источниками опорного напряжения.

Заключение

В этой статье представлен безрезисторный источник опорного напряжения малой мощности с высоким PSRR, который подходит для наноразмерных приложений и может быть расширен для более сложных процессов. С помощью самосмещенного источника тока на основе делителя напряжения MOSFET необходимое напряжение CTAT, напряжение PTAT и взвешенное суммирование могут быть одновременно реализованы в компактной структуре. Более того, в качестве напряжения CTAT выбирается дельта-пороговое напряжение, которое имеет значительно уменьшенный отрицательный TC. Это также приводит к уменьшению требуемого значения напряжения PTAT. Следовательно, можно снизить напряжение питания и потребление тока. Все компоненты построены только на полевых МОП-транзисторах, что имеет приоритет в чувствительных к мощности высокоинтегрированных приложениях, таких как SOC.

Сокращения

BGR:

Ссылка на запрещенную зону

CTAT:

Дополняет абсолютную температуру

hvt:

Высокое пороговое напряжение

LS:

Чувствительность линии

mvt:

Среднее пороговое напряжение

PSRR:

Коэффициент отклонения источника питания

PTAT:

Пропорционально абсолютной температуре

TC:

Температурный коэффициент