Apresentação do PowerPoint · 2019-05-07 · mV C mV C V T V T T T V T V T T T P N TP TP P TN TN...
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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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3
Introdução
Referências ideais de tensão e corrente:
Na realidade, o valor de uma
referência depende de:
•Tensão de alimentação
•Temperatura
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 5
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6
Introdução
Junção BE de bipolar como referência de tensão:
•Redução de dependência em VDD
•Sem compensação térmica
1
21
R
RRVV EBREF
4
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7
Introdução
Referências de tensão baseada em VGS:
•Redução de dependência em VDD
•Sem compensação térmica
(a) (b)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 8
Introdução
Referências de corrente baseadas em VBE e VGS :
•Redução de dependência em VCC ou VDD
•Sem compensação térmica
5
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 9
Diodo Zener
Diodo Zener como referência de tensão:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10
Diodo Zener
Diodo Zener como referência de tensão:
DD
z
zref v
Rr
rv
(a) polarização
(b) sinal
6
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 11
Diodo Zener
Diodo Zener como referência de tensão:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12
Polarização em Corrente
Referência de corrente baseada em VGS:
•Independente de VDD
•Sem compensação térmica
•Startup!
•Gm constante!
7
KLW
LW
Rg
LWkIg
N
bias
S
m
Dm
11
)(
)(2
:Ipor I dosubstituin
2
outD
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 13
Polarização em Corrente
Referência de corrente baseada em VGS:
•Independente de VDD
•Sem compensação térmica
•Startup!
•Gm constante!
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 14
Polarização em Corrente
Referência de corrente baseada em VGS:
•Independente de VDD
•Sem compensação térmica
•Startup!
8
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15
•Independente de VDD
•Sem compensação térmica
•Startup!
Polarização em Corrente
Referência de corrente baseada em JUNÇÃO:
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 16
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17
Polarização em Corrente
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 19
Referências Band Gap
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20
Referências Band Gap
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 21
Referências Band Gap
Referência de tensão tipo Band-Gap (exemplo):
2
1
3
2
1
22 ln
E
EEBREF
A
A
R
R
q
kT
R
RVV
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 22
Band Gap: Corrente de Ref
Referência de corrente baseada em Band-Gap (exemplo):
1
2
4 LW
LW
R
VI REF
REF
12
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 23
Band Gap: Corrente de Ref
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 24
Band Gap: Corrente de Ref
Acoplamento de Interferência entre circuitos polarizados:
CUIDADO:
comportamento
INDUTIVO!
Impedância do nó ‘P’
13
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 25
Referências Band Gap
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.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 26
Referências Band Gap
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 27
Referências Band Gap
LM117 – Regulador de Tensão Série
Célula tipo Brokaw acrescida de um
regulador de tensão série, resultando
em um regulador ajustável.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 28
Referências Band Gap
LM10 – Referência Band-gap para baixa tensão – Widlar, 1978
Opera com tensão de
alimentação até 1,1V!
15
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 29
Referências Band Gap
AD1580 – Regulador de Tensão Paralelo, 1996
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 30
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 31
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
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 32
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
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
Esquemático
H. Klimach, 2002
STARTUP PTAT VBE+IR
Fator de ganho de corrente de Q5
VCC=3.3V
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 33
Band Gap CMOS
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
Dependência térmica versus trimming
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 34
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=
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
Dependência térmica versus alimentação (Vcc)
18
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 35
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
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
Processo de startup
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36
Band Gap CMOS
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
Layout
19
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 37
Band Gap CMOS
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
Simulação Monte Carlo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 38
Band Gap CMOS
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
Microfotografia
20
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 39
Band Gap CMOS
Referência de tensão tipo Band-gap em CMOS AMS 0.35
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.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 40
Sub-Band Gap CMOS
Referência de tensão tipo Band-gap sub-1V
21
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 41
Sub-Band Gap CMOS
Referência de tensão tipo Band-gap sub-1V
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 42
Referência usando VT
Referência de tensão baseada em VTN e VTP
22
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 43
Referência usando VT
Referência de tensão baseada em VTN e VTP
CmV
CmV
TTTVTV
TTTVTV
P
N
PTPTP
NTNTN
/º20,0
/º13,0
)()()(
)()()(
00
00
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 44
Referência usando VT
Referência de tensão baseada em VTN e VTP
23
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 45
Referência usando VT
Outra Referência de tensão baseada em VTN e VTP
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46
Band Gap de Junção Única
Referência de tensão BG com junção única
24
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 47
Band Gap de Junção Única
Referência de tensão BG com junção única
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 48
Referência usando VT de JFET
XFET voltage reference – Analog Devices, 1997
J1: XFET = extra ion
implantation JFETs
Ótima estabilidade térmica e
baixo ruído.
25
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 49
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
BGR a Capacitor Chaveado
26
51
Phase 1: )( IIVV EBCa
BGR a Capacitor Chaveado
52
Phase 2: )( IIVV EBCb
BGR a Capacitor Chaveado
27
53
Phase 3:
OSTC
OSEBEBC
EB
VV
VIVIVV
IVV
)2ln(
)()2(
)(
1
1
Voltage averaging: reduction of bias current mismatch impact
BGR a Capacitor Chaveado
54
Phase 4:
)2ln(2
12
1
TC
OSC
C
CV
VV
BGR a Capacitor Chaveado
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
BGR a Capacitor Chaveado
56
Comparação do SCBGR com BGR tradicional:
BGR a Capacitor Chaveado
29
57
Comparação do SCBGR com BGR tradicional:
BGR a Capacitor Chaveado
58
Comparação do SCBGR com BGR tradicional:
BGR a Capacitor Chaveado
30
59
Sub-BGR MOS Low-Power
Klimach, Mattia e Bampi –
LASCAS 2014
60
Comportamento térmico:
Sub-BGR MOS Low-Power
31
61
Dependência com Vdd e PSRR:
Sub-BGR MOS Low-Power
62
Variabilidade com Processo e Mismatch
Sub-BGR MOS Low-Power