بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی یک مدار پیشنهادی مرجع ولتاژ Bandgap با استفاده از ترانزیستورهای CMOS برای حذف اثر دمایی و منبع تغذیه بر روی ولتاژ خروجی ارائه شده است. نحوه عملکرد مدار پیشنهادی بر این اساس است که از آینههای جریان کسکود خود بایاس با سوئینگ بالا برای کاهش وابستگی به منبع تغذیه و حذف ولتاژ بایاس استفاده شده است.
همچنین از دو ولتاژ بیسامیتر به صورت سری برای کاهش اثر عدم تطابق ترانزیستورهای MOSFET، مدار تامین کننده جریان بیس برای مستقل شدن ولتاژ خروجی از پروسه ساخت و خازن بزرگ برای حذف اغتشاشات خارجی در تحقق آن بکار گرفته شده است. این بهبود منجر به کاهش حساسیت سیستم شده است که در نتیجه PSRR مدار در فرکانس 100هرتز برابر -109 dB بدست آمده است. ولتاژ خروجی مرجع ولتاژ شکاف باند 1/239 ولت می باشد که در رنج دمایی -40 تا 120 ضریب دمایی 30 ppm/ بدست آمده است. مدار ارائه شده در تکنولوژی 0/18 میکرومتر CMOS با نرم افزار ADS شبیه سازی شده است.
-1 مقدمه
منابع ولتاژ مرجع در طراحی و ساخت مدارهای مجتمع آنالوگ کاربرد وسیعی دارند. هدف از ساخت یک منبع ولتاژ مرجع، ایجاد یک ولتاژ یا جریان مستقل از منبع تغذیه و فرآیند ساخت است که نسبت به دما تغییرات کمی داشته باشد. علاوه بر پارامترهایی مثل فرآیند ساخت، مستقل بودن منبع تغذیه نسبت به دما، ممکن است پارامترهای دیگری مانند توان تلفاتی در مولدهای مرجع اهمیت پیدا کند.
چون بسیاری از پارامترهای فرآیند ساخت با دما تغییر میکنند، اگر مراجع ولتاژ مستقل از دما طراحی شوند، ولتاژ مرجع نیز مستقل از فرآیند ساخت خواهد شد. با استفاده از بسیاری از تئوریها میتوان یک ولتاژ مرجع تولید کرد ولی با توجه به مزایای استفاده از یک ضریب دمایی پایین، PSRR بالا، کم نویز بودن و سازگاری با پروسه ساخت CMOS، ولتاژ شکاف باند به طور گستردهای مورد استفاده قرار گرفته است.
مدارهای مرجع در مدارات آنالوگ و دیجیتال، فیلترها و تقویت کنندهها کاربرد دارد. همچنین در سیستمهایی مانند مبدلهای A/D و D/A برای تعیین محدودهی کامل سیگنال ورودی و خروجی به یک مرجع ولتاژ نیاز است.[1] نویز تزریق شده در خروجی مرجع ولتاژ شکاف باند اغلب قابل توجه هستند و سیستم را تحت تاثیر میگذارند. بنابراین برای رسیدن به کارایی بالا در سیستمهای آنالوگ و دیجیتال به PSRR بالا مخصوصا در ارتباطات بیسیم نیازمند هستیم.
اگر دو کمیت با ضریب دمایی مخالف و وزن مناسب با هم جمع شوند، یک ضریب دمایی صفر حاصل میشود. مثلا برای دو ولتاژ V1 و V2 که نسبت به دما در جهت مخالف همدیگر تغییر میکنند، 1 و 2 را چنان انتخاب میکنیم که:
باید دو ولتاژ که ضریب دمایی مثبت و منفی دارند را مشخص کنیم، تا ولتاژ مرجع 1V2 1V1+ VREF با ضریب
دمایی صفر - TC=0 - بدست آید. در میان پارامترهای گوناگون یک ترانزیستور، در فناوریهای نیمه رسانا
ترانزیستورهای دو قطبی کمیتهای قابل تولیدی را دارند که میتوان با آنها ضریب دماییهای مثبت و منفی تولید کرد. اگرچه قطعات CMOS نیز برای تولید ولتاژ مرجع مورد توجه بودهاند، اما هستهی تشکیل دهندهی چنین مدارهایی را ترانزیستورهای دو قطبی تشکیل میدهند. ولتاژ بیس امیتر ترانزیستورهای دو قطبی یا به طورکلی ولتاژ مستقیم اتصال pn دیودها ضریب دمایی منفی دارند و اختلاف ولتاژ بیسامیترها ضریب دمایی مثبت دارند. برای آن-که یک ولتاژ مستقل از دما باشد - ضریب دمایی صفر داشته باشد - باید آن را از جمع دو ولتاژ که یک ضریب دمایی مثبت و دیگری ضریب دمایی منفی دارد، ساخت.
بررسی مدارBandgap
هدف از کاربرد مدار Bandgap ایجاد یک ولتاژ dc مستقل از منبع تغذیه، فرآیند ساخت و دما میباشد. راهکارهای متفاوتی برای ایجاد منبع تغذیه ثابت وجود دارد که میتوان آنها را به سه دسته کلی تقسیم نمود:
-1 استفاده از یک دیود زنر که در بایاس معکوس در یک ولتاژ خاص به حالت شکست میرود. مشکل عمده این روش این است که مقادیر پیوسته توسط این روش قابل حصول نمیباشد، همچنین ولتاژ شکست دیودهای زنر معمولا از منبع تغذیه مورد استفاده در مدارهای امروزی بزرگتر است.
-2 استفاده از تفاضل ولتاژ آستانه یک ترانزیستور افزایشی و یک ترانزیستور تخلیهای. اشکال این روش این است که در اکثر مدارهای cmos دسترسی به ترانزیستورهای تخلیهای ممکن نیست. همچنین با فرض امکان دسترسی به این ترانزیستورها، تعیین و تثبیت ولتاژ آستانه ترانزیستورها کار دشواری است.
-3 حذف وابستگی حرارتی یک عنصر CTAT - معکوس با دمای مطلق - بوسیله یک عنصر PTAT - متناسب با دمای مطلق - . امروزه از این روش به صورت گسترده در طراحی مدارهای مجتمع استفاده میشود. معمولا از یک پیوند PN به عنوان عنصر CTAT استفاده میشود و با توجه به این نکته میتوان دیاگرام کلی یک مدار Bandgap را به صورت شکل - - 1 نمایش داد.
شکل :1 دیاگرام کلی مدار Bandgap
ولتاژ خروجی، متناسب با ولتاژ شکاف نوع نیمه هادی پیوند PN میباشد. میتوان نشان داد، رابطه کلی ولتاژ خروجی برای هر مدار Bandgap که ساختاری مشابه شکل - - 1 داشته باشد، به فرم زیر خواهد بود:
PSRR مرجع ولتاژ شکاف باند با استفاده از تکنیکهای مداری
در اکثر مقالات در تحقق مداری مرجع ولتاژ از آپامپ استفاده میشود. عیب این روش عدم تقارن در ورودی آپامپ است. آفست ورودی آپامپ باعث بوجود آمدن خطا در ولتاژ خروجی میشود. مهمتر اینکه ولتاژ آفست ورودی با دما تغییر میکند و ضریب دمایی ولتاژ خروجی را افزایش میدهد.
در این مقاله مرجع ولتاژ شکاف باند بر اساس یک تئوری ساده که در شکل - - 2 نشان داده شده است، پیاده-سازی میشود.
شکل :2 مدار ساده مرجع ولتاژ شکاف باند
در این رابطه،n نسبت سطح مقطع ترانزیستورهای Q1 و Q2 میباشد. اگر بخواهیم مرجع ولتاژ Bandgap حاصل شود، باید - V ref / 7 - = 0 باشد.
عدد n خیلی بزرگ است و ساخت و پیاده سازی آن عملا غیر ممکن است، به همین دلیل از ساختار مطابق شکل - - 3 استفاده میشود.
