Düşük sıcaklık kayması ve yüksek güç kaynağı reddetme oranı bant aralığı referans kaynağı tasarımı
Qing Xudong 1, 2, Zhong Li 1, 2, Wang Yonglu 2, Qin Shaohong 1, 2, Chen Zhenzhong 1, 2
(1. Optoelektronik Mühendisliği Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065; 2. Anahtar Laboratuvarı Analog Entegre Devreler, Chongqing 400060)
Geleneksel akım modu voltaj referans yapısı altında, birinci dereceden kompanzasyondan sonra voltaj referans çıkış özelliklerine dayalı olarak, geniş bir sıcaklık aralığında (-50 ~ 150 ) voltajı önemli ölçüde artıran basit bir yüksek ve düşük sıcaklık kompanzasyon devresi tasarlanmıştır. Kıyaslamanın doğruluğu. Aynı zamanda, devrede basit iyileştirmeler yapılır ve çıkış voltajı, yüksek bir güç kaynağı reddetme oranına sahiptir. Tasarlanan devre TSMC 65 nm CMOS proses modeli kullanılarak simüle edilmiştir 1.5 V güç kaynağı voltajı altında PSRR -83.6 dB ve sıcaklık katsayısı 2.27 ppm / 'dir.
Gerilim referans kaynağı; düşük sıcaklık kayması; yüksek güç kaynağı reddetme oranı
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN432
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.171992
Çince alıntı biçimi: Qing Xudong, Zhong Li, Wang Yonglu ve diğerleri.Düşük sıcaklık kayması ve yüksek güç kaynağı reddetme oranı bant aralığı ile bir referans kaynağının tasarımı.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2018, 44 (1): 17-19, 23.
İngilizce alıntı biçimi: Qing Xudong, Zhong Li, Wang Yonglu ve diğerleri.Düşük sıcaklık kayması ve yüksek güç kaynağı red oranı ile bir bant aralığı referansının tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2018, 44 (1): 17-19, 23.
0 Önsöz
Analog entegre devreler, modern toplumun ekonomik, ulusal savunma ve diğer alanlarında önemli bir rol oynar ve voltaj bant aralığı referans kaynağı, modern analog hibrit devre tasarımının anahtar modüllerinden biridir. Uygulama gereksinimleri arttıkça, referans kaynağın daha yüksek doğruluğa, yani daha geniş bir sıcaklık aralığında daha düşük bir sıcaklık katsayısına sahip olması gerekir. İnsanlar, referans kaynağının doğruluğunu iyileştirmek için birinci dereceden, ikinci dereceden, yüksek dereceden ve bölümlere ayrılmış tazminat yöntemlerini kullanır. Birinci dereceden kompanzasyondan sonra referans voltajın çıkış karakteristiklerine bağlı olarak, bu makale yüksek ve düşük sıcaklık segmentli kompanzasyon devresi tasarlar Bant aralığı referans kaynağı geniş bir sıcaklık aralığında daha düşük bir sıcaklık katsayısına sahiptir. Aynı zamanda, bu kompanzasyon yöntemi, referans doğruluğunu artırmak için benzer çıkış özelliklerine sahip diğer devrelerde de kullanılabilir.
1 Segment telafisi prensibi
Pozitif ve negatif sıcaklık katsayılarının birinci dereceden kompanzasyonundan sonra, referans kaynağın sıcaklık karakteristik eğrisi, Şekil 1 (a) 'da gösterildiği gibi, yukarı veya aşağı doğru bir açıklığa sahip kabaca bir paraboldür. Sıcaklık katsayısını düşürmek için, referansın doğruluğunu iyileştirmek için ikinci derece, üçüncü derece veya hatta daha yüksek dereceli eğrilik telafi yöntemleri kullanılabilir Ancak, daha yüksek dereceli yöntemlerin kullanılması devrenin karmaşıklığını artıracak, böylece devrenin alanını ve güç tüketimini artıracaktır. Segmentli kompanzasyon yöntemi, yani Şekil 1 (b) 'de gösterildiği gibi maksimum ve minimum çıkış voltajı arasındaki farkı azaltmak ve böylece sıcaklık katsayısını düşürmek için düşük sıcaklık veya yüksek sıcaklık bölümünde kompanzasyon eklemek için kullanılır. Çıkış voltajının sıcaklık karakteristik eğrisine göre, segment kompanzasyonu tanıtıldığında farklı yöntemler benimsenmelidir. Çıkış geriliminin sıcaklık karakteristik eğrisi aşağı doğru açılıyorsa, düşük sıcaklık bölümündeki çıkışa negatif sıcaklık katsayılı bir akım, yüksek sıcaklık bölümündeki çıkışa ise pozitif sıcaklık katsayılı bir akım enjekte edilir. Çıkış geriliminin sıcaklık karakteristik eğrisinin açılması yukarı doğru ise, düşük sıcaklık bölümü çıkış ucunda negatif sıcaklık katsayısına sahip bir akım çeker ve yüksek sıcaklık bölümü çıkış ucunda pozitif sıcaklık katsayısına sahip bir akım çeker. Bu makale, mevcut mod yapısının bant aralığı referansına dayanmaktadır.Çıkış karakteristik eğrisine göre, parçalı bir kompanzasyon devresi tanıtılmıştır.Düşük sıcaklık bölümü, negatif sıcaklık katsayısına sahip bir akım çeker ve yüksek sıcaklık bölümü, referans çıkışını iyileştiren pozitif sıcaklık katsayılı bir akım çeker. Hassasiyet.
2 Devre gerçekleştirme
Şekil 2, bu makalede kullanılan özel devredir. Devre, bir referans çekirdek, bölümlü bir telafi devresi ve bir PSRR iyileştirme devresinden oluşur. Referans voltajını veren geleneksel referans çekirdek devresinin özelliklerine göre, referans voltajın doğruluğunu iyileştirmek için Şekil 2'de gösterildiği gibi bölümlenmiş bir dengeleme devresi eklenir. Aynı zamanda, kıyaslama güç kaynağı reddetme oranını artırmak için devrede basit iyileştirmeler yapılır.
2.1 Parçalı kompanzasyon devresi
Negatif bir sıcaklık katsayısı akımı IDSMP5, amplifikatör 2, transistör Q2 ve MP4'e yansıtılan direnç R5 tarafından üretilir ve direnç R6 aracılığıyla bir negatif sıcaklık katsayısı voltajı oluşturulur.MOS tüpü MN1'in eşik voltajı da negatif bir sıcaklık katsayısına sahip olduğundan, MOS transistör MN1'in VGSN'sinin negatif sıcaklık katsayısının MOS transistörü MN1'in VTN eşik voltajının negatif sıcaklık katsayısından daha büyük olmasını sağlamak için R6'nın direnci ve MOS transistörleri MP4 ve MN1'in genişlik-uzunluk oranının makul bir şekilde seçilmesi gerekir. Sıcaklık katsayısı akımı I1, referansın çıkış terminalinde çizilir. Akım bölümlere ayrılır.TTL olduğunda, yani VGSNVTN olduğunda, MN1 tüpü satürasyon bölgesinde çalışır; T > TL'de MN1 eşik altı bölgesinde çalışır ve sıcaklık yükselmeye devam ettikçe MN1 çok az akım üretir. Dengeleme akımı, düşük sıcaklık bölümündeki çıkış referansının doğruluğunu önemli ölçüde artırabilir, ancak aynı zamanda yüksek sıcaklık bölümündeki referansın doğruluğunu da bozacaktır. Bu nedenle, geniş bir sıcaklık aralığında yüksek hassasiyetli bir referans voltajı elde etmek için, MP6, MP7 ve R7'den oluşan yüksek sıcaklık bölümünde bir dengeleme devresinin tanıtılması gerekmektedir. MP7 yansıtma MP5 ayrıca bir negatif sıcaklık katsayısı akımı üretir ve direnç R7 üzerinde bir negatif sıcaklık katsayısı voltajı oluşturulur.R7'nin direnç değeri ve MP6 ve MP7'nin en-boy oranı makul şekilde seçilir. T cinsinden MP7 > TH, referans çıkışta çizilen pozitif sıcaklık katsayısı akımı I2 üretir. Akımları formül (1) ~ formül (6) ile elde edilebilir:
2.2 Amplifikatör devre yapısı
Şekil 2'de kullanılan iki amplifikatörün her ikisi de Şekil 3'teki devre yapısını kullanır. Bu amplifikatör, devrenin güç tüketimini azaltmak için kendi kendine önyargı kullanır. Amplifikatörü tasarlarken, ofseti en aza indirin ve voltaj referansının doğruluğunu iyileştirin.
2.3 PSRR artış devresi
Şekil 3'te MN2 ve MP8'den oluşan devre, gerilim bastırma oranı iyileştirme devresidir. Op amp'in çıkış terminalini akım aynasının kapısından ayırın ve güç kaynağı voltajının gürültüsü doğrudan referansın geri besleme döngüsüne beslenir ve akım aynasındaki kapı voltajı, kaynak voltajındaki değişikliği takip edecek şekilde ayarlanır, böylece akım aynasındaki kaçak kaynak akımı sabit. Devre karmaşıklığını önemli ölçüde artırmasa da, kıyaslamanın güç kaynağı reddetme oranı önemli ölçüde geliştirildi. Girilen geri besleme döngüsü 180 derecelik bir faz kayması ürettiğinden, referans çekirdekteki op amp girişi tersine çevrilmelidir.
3 Simülasyon sonuçları
Bu metinde kullanılan CMOS aracı TSMC 65 nm'dir, 1.5 V güç kaynağı voltajı altında, simülasyonu Şekil 2'de gösterilen devreye taşır, simülasyon sonucu aşağıdaki gibidir. Şekil 4 ve Şekil 5, kompanzasyon öncesi ve sonrası voltaj referans çıkış karakteristik eğrileridir.Tazminat sonrası voltaj referansının sıcaklık katsayısı:
Şekil 6, devre yapısının DC karakteristik simülasyon eğrisidir. 0 ile 2 V arasındaki güç kaynağı voltajını taradığınızda, güç kaynağı voltajı 1.5 V olduğunda kararlı referans voltajının çıkmaya başladığını görebilirsiniz.
Şekil 7 ve 8, sokulan dengeleme devresi akımının sıcaklığa karşı eğrileridir.
Şekil 9, bu makalede tasarlanan voltaj referans devre yapısının güç kaynağı reddetme oranı (PSRR) simülasyon dalga formu diyagramıdır.Düşük frekanslı güç kaynağı reddetme oranının yaklaşık -83 dB olduğu şekilden görülebilmektedir.
Tablo 1, bu yazıda tasarlanan devre yapısı ile referans, literatür ve literatür devre yapısının simülasyon sonuçları arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir. Tablo 1'den literatür, literatür ve literatür ile karşılaştırıldığında, bu yazıda tasarlanan voltaj referans devresinin daha geniş bir sıcaklık aralığına (-50 150 ) sahip olduğu ve elde edilen referans voltajın daha düşük bir sıcaklık sapmasına (2,27 ppm / ). Kullanılan güç kaynağı voltajı literatürden ve literatüre göre daha düşüktür ve elde edilen referans voltajı daha yüksektir. Aynı zamanda, bu yazıda tasarlanan devre, -83.6 dB'lik daha yüksek bir güç kaynağı reddetme oranı elde etmek için geliştirilmiştir.
4. Sonuç
Bu makale, geleneksel akım modu voltaj referansının devre yapısını geliştirir, bölümlere ayrılmış bir kompanzasyon devresi sunar ve daha düşük sıcaklık kayması ile bir referans voltajı elde etmek için bunu TSMC 65 nm COMS sürecinde simüle eder. Aynı zamanda, bu tasarım daha yüksek bir güç kaynağı reddetme oranına ulaşır. Referans voltajın sıcaklık katsayısı 2,27 ppm / ° C'dir. Voltaj reddetme oranı -83.6 dB'dir.
Referanslar
GABRIEL A, RINCON M, PHILLIP E, ve diğerleri 1.1-V akım modu ve parçalı doğrusal eğrilik düzeltilmiş bant aralığı referansı IEEE J. Solid-State Circuits, 1998, 33 (10): 1551-1554.
KER MD, CHEN J S. Alt-1-V operasyonlu CMOS bant aralığı referansı için yeni eğrilik dengeleme tekniği, "IEEE Trans. Circuits Syst. II: Express Briefs, 2006, 53 (8): 667-671.
CHARALAMBOS M A, SAVVAS K, Julius Georgiou. Yeni bir geniş sıcaklık aralığı, 3,9 ppm / CMOS bant aralığı referans devresi. IEEE J. Solid-State Circuits, 2012, 47 (2): 574-581.
LI J H, BAO Z X, YAN Y M.A 0,5 m CMOS prosesinde 1,2 V parçalı eğrilik düzeltilmiş bant aralığı referansı, "IEEE Trans. Very Large Scale Integr. (VLSI) Syst., 2011, 19 (6): 1118-1122.
VITA G D, IANNACCONE G.A sub-1-V, 10 ppm / , nanopower voltaj referans jeneratörü, "IEEE J. Solid-State Circuits, 2007, 42 (7): 1536-1542.
