بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک مدار مرجع ولتاژ با استفاده از ترانزیستورهای ماسفت بر اساس اختلاف ولتاژ گیت -سورس یک ترانزیستور از نوع PMOS و دو ترانزیستور از نوع NMOS ارائه شده است. به منظور کاهش مصرف جریان، المانهای پسیو این مدار به حداقل رسیده است و همچنین تمام ترانزیستورها در ناحیه زیر آستانه بایاس شده اند. تغییرات ولتاژ خروجی مدار پیشنهادی بسیار پایین بوده و با تغییر ولتاژ تغذیه به اندازه ی 900 mV، ولتاژ خروجی فقط 90 mV تغییر می کند. همچنین با تغییر دما از -40 تا 120 درجه فقط 5 mV تغییرات دارد به عبارتی تغییرات دمایی آن برابر 37 ppm/œc می باشد. در این طرح، فقط از ترانزیستورهای ماسفت استفاده شده است و از هیچ ترانزیستور دو قطبی استفاده نشده است. ولتاژ تغذیه برابر 1.8 V بوده و ولتاژ خروجی 850 mV می باشد.
-1 مقدمه
یک قسمت مهم در طراحی مدارهای مجتمع آنالوگ، طراحی و ساخت جریان ها ولتاژهای مرجع با مقادیر بخوبی تعریف شده می باشد. برای اینکه این کار بر روی تراشه و بصورت مجتمع انجام شود، معمولا از مدارهای مرجعی استفاده می شود که مدارهای مرجع گاف انرژی1 نامیده می شوند .[1-5] این مدارها طراحی ولتاژهای مرجع مستقل از دما را امکان پذیر می کنند.
یک کاربرد رایج برای این ولتاژ مرجع در مبدل آنالوگ به دیجیتال است که ولتاژ ورودی با چندین سطح ولتاژ مقایسه می گردد تا مقدار دیجیتال متناظر را تعیین نماید. درواقع یک مدار منبع ولتاژ مرجع، باید بتواند با استفاده از یک منبع ولتاژ تغذیه ی بیرونی یک ولتاژ با سطح ولتاژ پایین تر تولید نماید. بعنوان مثال در تکنولوژی um CMOS 0,18 ولتاژ تغذیه برابر V 1,8 می باشد ولی در طراحی مدارهای مجتمع برای بایاس کردن قسمت های مختلف مدار و ترانزیستورهای مختلف به ولتاژهای مختلفی نیاز است. وظیفه ی مدارهای ولتاژ مرجع تولید ولتاژ با مقادیر مختلف می باشد.
ولتاژ تولید شده توسط این مدارها باید ثابت باشند و با تغییر دما، پروسس و یا حتی ولتاژ تغییر نکنند. در عمل تغییر ولتاژ مرجع با این تغییرات، که تغییرات PVT گفته می شود بسیار ناچیز می باشد .[6-9] مدار ولتاژ مرجع انواع مختلفی دارد که می توان به چهار دسته ی کلی تقسیم بندی نمود. این دسته بندی ها عموما یا تکنولوژی که در آن ولتاژ مرجع ساخته شده و یا روشی که ولتاژ خروجی تولید می گردد را توصیف می کنند. در تکنولوژی های ماسفت، واضح ترین روش برای ایجاد ولتاژ مرجع استفاده از ولتاژ آستانه می باشد.
در تکنولوژی های دو قطبی، پیوند بیس امیتر یک ترانزیستور دو قطبی، می تواند برای تحویل دادن ولتاژ باندگپ سیلیکان برای استفاده بعنوان یک ولتاژ مرجع استفاده شود. بعلاوه می توان ترانزیستورهای دو قطبی را در تکنولوژی ماسفت ساخت، که برای استخراج ولتاژ باندگپ سیلیکان کافی می باشد. این می تواند با مدار ماسفت دیگر برای تولید ولتاژ مرجع استفاده گردد.
به دلیل مزایای ترانزیستور ماسفت و بویژه مصرف توان بسیار پایین تر آن نسبت به ترانزیستورهای دو قطبی، مطلوب است که مدارهای ولتاژ مرجع را با ترانزیستورهای ماسفت طراحی نمایند. یکی از روش های تولید مرجع CMOS استفاده از اختلاف بین دو ولتاژ آستانه ی مختلف است تا ولتاژ مرجع ثابتی تولید نماید. اگر تکنولوژی ای وجود داشته باشد که دارای دو ولتاژ آستانه ی متفاوت برای قطعه ی یکسان باشد، این دو ولتاژ می توانند از یکدیگر کم شده و ولتاژی مستقل از دما در خروجی تولید نمایند. اگر قطعات از یک نوع باشند، فرض می شود که وابستگی دمایی یکسان ولی ولتاژهای آستانه ی متفاوتی دارند.
یک رگولاتور خطی که بدون سلف، بدون ریپل می باشد و مبدل توان با نویز پایین در بسیاری از افزاره هایی که از باتری استفاده می کنند بطور گسترده ای استفاده می شود. در گذشته رگولاتورهای خطی با تکنولوژی BJT ساخته می شدند. اما، بازده توان برای عملکرد توان پایین به دلیل اینکه جریان زمین وابسته به جریان بار می باشد و نوسانات ولتاژ بزرگ می باشد کم است. با تکامل سریع تکنولوژی CMOS، بسیاری از رگولاتورهای خطی با تغییرات پایین - LDO - در دسترس می باشد. جریان زمین مستقل از جریان بوده و LDO ها می توانند در ولتاژ بسیار پایین عمل کنند که برای کاربردهای تک سلولی و دو سلولی مناسب می باشد.
یک ولتاژ مرجع برای طراحی LDO لازم بوده و یک ولتاژ مرجعی با وابستگی بسیار کم به دما و منبع تغذیه تولید می کند تا ولتاژ خروجی LDO را تعیین نماید. همانطور که بیان شد، ولتاژ مرجع معمولا از نوع مرجع باندگپ می باشد که می تواند با استفاده از BJT ها در هر تکنولوژی استاندارد CMOS ساخته شود. بعنوان گزینه ای دیگر، مراجع ولتاژ در تکنولوژی MOS می توانند بر اساس اختلاف ولتاژ آستانه که بر اساس کاشت یونی انتخابی می باشند و اختلاف تابع کار با اختلاف در میزان ناخالصی گیت ساخته شوند. اما چون این راه حل ها مراحل ساخت را پیچیده می کنند در تکنولوژی های استاندارد CMOS قیمت پایین مناسب نمی باشند
بعلاوه، در تکنولوژی CMOS زیر میکرون عمیق، مشخصه های BJT بدتر می گردد .[10] در این مقاله، بعنوان یک راه حل برای این چالش، ترانزیستورهای ماسفت در ناحیه ی زیرآستانه بایاس می شوند. در این حالت چون جریان بسیار کمی از مدار کشیده می شود مصرف توان بسیار پایین می باشد. بر این اساس، یک ولتاژ مرجع باندگپ با استفاده از ترانزیستورهای ماسفت و بدون استفاده از ترانزیستورهای BJT طراحی خواهد شد. درواقع در این مقاله بجای ترانزیستورهای BJT از ترانزیستورهای ماسفت استفاده شده و یک مدار مبدل ولتاژ ثابت و پایدار با مصرف توان بسیار پایین طراحی می گردد. مدار طراحی شده برای رنج دمایی -40 تا 120 درجه ی سانتی گراد و در کرنرهای مختلف tt ، ss، ff، دارای تغییرات بسیار ناچیزی خواهد بود.
مدارهای مرجع ولتاژ، غالباً مطابق شکل 1 یک کمیت با تغییرات مثبت نسبت به دما - PTAT1 - را با کمیت دیگری با تغییرات منفی نسبت به دما - CTAT2 - با یک نسبت درست ترکیب می کنند، تا ولتاژ یا جریانی با تغییرات دمایی کم نسبت به دما ایجاد شود. از نظر نوع عملکرد، مدارهای مرجع ولتاژ را میتوان به پنج دسته تقسیم کرد :
1. جمع ولتاژهای CTAT و PTAT
2. جمع یک ولتاژ CTATو یک جریان PTATضرب شده در مقاومت R
3. جمع یک جریان CTATضرب شده در مقاومت Rو یک ولتاژ PTAT
4. جمع جریانهای CTATو PTATو ضرب آن در مقاومت R
5. اختلاف کمیتهای CTATیا PTAT
شکل 1 اصول عملکرد مدارهای مرجع ولتاژ
در مرجع ولتاژ نوعVREF 1، از جمع VCTATبا یک ضریب و VPTATبا یک ضریب ایجاد می شود. از آنجاییکه هر دو ترم ولتاژ هستند، مرجع ولتاژ نوع 1را مود ولتاژ می نامند. لازم به ذکر است که TC مثبت از اختلاف بین ولتاژ بیس امیتر دو ترانزیستور دوقطبی که در دو جریان مختلف کار کنند یا از اختلاف ولتاژ گیت - سورس دو ترانزیستو MOS که در ناحیه زیر آستانه بایاس شده است، بدست می آید و TC منفی نیز به طور مستتقیم از ولتاژ بیس امیتر یک ترانزیستور دوقطبی، ولتاژ مستقیم یک اتصال pn دیود یا از VGSیک ترانزیستور MOS بدست می آید.
مدار مرجع ولتاژ پیشنهادی
در بسیاری از کاربردهایی که توان به صورت بیسیم و محدود دریافت می شود، جریان مصرفی مدارها اهمیت ویژه ای می یابد. مراجعی که بر اساس اختلاف VGSترانزیستورها کار میکنند، معمولاً از دو مقاومت برای ضریب دادن به یکی از ولتاژها و ایجاد اختلاف یکسان در سراسر بازه دمایی استفاده می کنند که باعث افزایش جریان مصرفی می شود. اولین گام برای کاهش جریان مصرفی حذف این مقاومت ها است. بنابراین همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، مقاومتها حذف شده و به منظور جبران حذف مقاومت ها و ایجاد ضریب برای ولتاژ گیت سورس ترانزیستور NMOS، یک ترانزیستور سوم اضافه شده است.
