بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مدار مرجع ولتاژ Bandgap با ولتاژکمتر از 0/5 ولت وتکنولوژی نانومتر CMOS

چکیده

در این مقاله طراحی مدار مرجع ولتاژ (Bandgap)درولتاژ کمتر از یک ولت و تکنولوژی نانومترCMOSبررسی شده ودر نهایت یک مدار مرجع ولتاژ با استفاده ترانزیستورهایCMOSو مقاومت برای ایجاد یک مرجع ولتاژ دقیق با حذف ترانزیستورهای دو قطبی ارائه شده است. طراحی جدید منجر به کاهش توان مصرفی و همچنین سطح تراشه اشغالی آن شده است. نحوه عملکرد مدار پیشنهادی بر اساس اختلاف دو جریان PTAT,CTAT می باشد که با استفاده ازتفاوت ولتاژ آستانه

MOSدر تکنولوژیهای نانومتر حاصل شده است. لذا از این خاصیت ترانزیستورهایMOS و همچنین بایاس در ناحیه وارونگی ضعیف بدست آمده است. همچنین در مدار پیشنهاد شده برای کاهش سطح تراشه از آپ امپ در مقایسه با کارهای قبلی استفاده نشده است. مدارارائه شده در تکنولوژی 0/18 نانومترCMOS پیادهسازی شده و بانرمافزارHSPICE شبیهسازی شدهاست. تمام شبیه سازیها با در گرفتن تغییرات دمایی بین -40 تا 85 درجه سانتیگراد و نتایج آنها گزارش شده است.

واژه های کلیدی Bandgap ، ترانزیستور MOS ، ولتاژ آستانه ، وارونگی ضعیف


-1 مقدمه

از زمان معرفی مراجع ولتاژ Bandgap سیلیکین در دهه هفتاد توسط ویدلار که نشان داد مجموع یک ولتاژ بیس- امیتر1 با یک ولتاژ ضریب دمایی مثبت میتواند یک مرجع ولتاژ پایدار تولید کند [2]، بلوکهای مذکور و مشتقهای آنها به طور گستردهای در فرآیندهای ساخت دو قطبی وCMOS مورد استفاده قرار میگیرند. طی سالهای سپری شده، تلاشهای فراوانی به منظور بهتر نمودن عملکرد یک مرجع ولتاژBandgap صورت گرفته است. اغلب این تلاشها، در راستای هر چه بیشتر مستقل نمودن اندازه ولتاژ خروجی از تغییرات دما، منبع تغذیه و فرآیند ساخت میباشند.
اهداف اصلی در طراحی این مراجع کاهش تعداد باطریهای سیستم، کاهش سطح تراشه مصرفی و کاهش توان مصرفی سیستم میباشد. یک دلیل طراحی دقیق این مدارها وابستگی خیلی زیاد دقت سیستم به دقت ولتاژی است که توسط مدار داخلی یا خارجی تولید میشود. به عنوان مثال هر خطا و نویزی که در محدوده دمایی مورد نظر در ولتاژ مرجع ایجاد شود، خطی بودن و دقت مدار را تحت تاثیر قرار میدهد. بنابراین یک ولتاژ یا جریان مرجع، یک منبع ولتاژ یا جریان درجه بالایی از دقت و پایداری است که مستقل از ولتاژ تغذیه، تغییرات فرآیند، نویز و دیگر پارامترها است. از آنجایی که ولتاژ گرهها در هر مدار الکترونیکی وابستگی شدیدی به دما دارند، میزان تغییرات ولتاژ مراجع نسبت به دما پارامتر مهمی برای ارزیابی کارآیی این مراجع ولتاژ است.[4]

یکی از راههای آسان ساخت یک مرجع ولتاژ استفاده از یک تقسیم کننده ولتاژ متناسب با منبع تغذیه مدار میباشد. اما، چون این گونه مراجع ولتاژ تنها کسری از ولتاژ منبع تغذیه هستند به شدت در اثر کیفیت بد منبع تغذیه یا به عبارتی کم بودن پارامتر PSRR تحت تاثیر قرار میگیرند و ضعف خود را نشان میدهند.
راههای دیگر ساخت چنین مراجع ولتاژی به کارگیری ولتاژ آستانه ترانزیستورMOS، ولتاژ پیوند p-n یا ولتاژ دیود زنر است. ولتاژ آستانه MOS و ولتاژ پیوند p-n وابستگی آشکاری به دما دارند[5]، در حالی که ولتاژ شکست دیود زنر از وابستگی کمی نسبت به دما برخوردار است اما، دستیابی به یک دیود زنر با کیفیت در فرآیندهای تولید CMOS بسیار مشکل است.

از چالشهایی که در طراحی مراجع ولتاژ وجود دارد، میتوان به قابلیت جریان دهی بالا در بار، عدم نیاز به سیگنال خارجی، سازگاری با فرآیند ساخت، حساسیت کم ولتاژ مرجع به تغییرات دما، ولتاژ و فرآیند ساخت و در نهایت قابلیت تنظیم اندازه ولتاژ مرجع در هر مقدار دلخواه اشاره کرد.

ولتاژ PTAT به وسیله اختلاف میان ولتاژ بیس-امیتر دو ترانزیستور دو قطبی تولید میشود. CTATمعمولاً از ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستورهای دو قطبی یا بطور کلی، ولتاژ مستقیم اتصال PN دیودها حاصل میشود که در شکل (1) قابل مشاهده است.


میدانیم که اگر دو کمیت با ضریب دمایی مخالف و وزن مناسب با هم جمع شوند یک ضریب دمایی صفر حاصل میشود. در مراجع Bandgap ولتاژ خروجی پایدار با کمترین حساسیت از مجموع دو ولتاژ که یکی متناسب با ضریب تغییرات مثبت دمایی (PTAT)2 و دیگری ضریب تغییرات منفی دمایی (CTAT)3 میباشد حاصل میشود.[6],[11]

در این شکل مداری که دارای ضریب مثبت دمایی است خروج V P میدهد که شرط زیر را برآورده میسازد

و مداری که دارای ضریب منفی دمایی رابطه 2 را به ما می دهد:

ولتاژ مرجع حاصل مجموع این دو ولتاژ است به گونهای که ولتاژ نهایی دارای ضریب دمایی صفر در دمای مورد نظر ما شود. حال باید دو ولتاژ که ضریب دمایی مثبت و منفی دارند را مشخص کنیم. در میان لذا خروجی برابر است با:


بنابراین داریم: (4)

پارامترهای گوناگون یک ترانزیستور، در فناوریهای نیمه رسانا ترانزیستورهای دو قطبی، کمیتهای خوش تعریف و قابل تولیدی دارند که میتوان با آنها ضرایب دمایی مثبت و منفی درست کرد.

اگر چه قطعات CMOS نیز برای تولید مراجع مورد توجه بودهاند، اما در برخی از طراحی ها هسته تشکیل دهنده چنین مدارهایی را نیز ترانزیستورهای دو قطبی تشکیل میدهند.[13]

مراجع ولتاژ PTAT به وسیله اختلاف میان ولتاژ بیس-امیتر دو ترانزیستور دو قطبی تولید میشود. CTATمعمولاً از ولتاژ بیس-امیتر ترانزیستورهای دو قطبی یا بطور کلی، ولتاژ مستقیم اتصال PN دیودها حاصل میشود که در شکل (1) قابل مشاهده است.

و مداری که دارای ضریب منفی دمایی رابطه (2) را به ما میدهد:

K به گونهای تنظیم میگردد که در دمای مورد نظر داشته باشیم:


مراجع ولتاژ Bandgap به صورت گستردهای در مدارهای مجتمع استفاده میگردد چرا که یک طراحی خوب از این مدارها میتواند کمترین وابستگی به دما را داشته باشد.[14],[16]

-2 تحلیل مدل دمایی ترانزیستور MOSFET

همان طور که میدانیم جریان درین و ولتاژ گیت-سورس ترانزیستورهای MOSFET در ناحیه زیر آستانه به صورت رابطه نمایی به هم مربوط میشوند که در اینجا ترانزیستور میباشد، قابلیت حرکت الکترون ها یا حامل ها Cox خازن واحد سطح اکسیدگیت و K BT VT ولتاژ حرارتی است که K B ثابت بولتزمن T دما بر حسب درجه کلوین و q بار الکترون میباشد. VTH ولتاژ آستانه ترانزیستور MOSFET و فاکتور شیب زیر آستانه است. همچنین برای V DS  0.1 V جریان I D مستقل از V DSمیباشد(.در اینجا S نسبت ابعاد ترانزیستورها می باشد) بنابراین داریم:


در اینجا ضریب TC4 برای V ولتاژ آستانه در دمای صفر درجه کلوین است و N VTH میباشد. بنابراین Vref بدین صورت بدست
میآید: )}

بنابراین N ضریب دمایی ولتاژ آستانه برای ترانزیستورهای MOSFET یک پارامتر کلیدی برای رسیدن ضریب صفر در ولتاژ Bandgap میباشد.

ولتاژ آستانه به صورت تئوری این گونه بیان میشود:

با توجه به شکل((2 داریم:

به دلیل اینکه IP در ترانزیستورهای M2 وM1 برابر است:


به دلیل اینکه ترانزیستور MR1 در ناحیه deep-triode قرار دارد، RMR1 بدست میآید:

با توجه به شکل Vref که بدست میآید بدین صورت است:


 B :اختلاف پتانسیل بین سطح فرمی و سطح ذاتی است و si :نفوذ پذیری سلیکن و N A :غلظت ناخالصی بدنه و ni :چگالی حرکت ذاتی و E g :انرژی Bandgap سلیکون می باشند.[18][21]

بدین رابطه (14) نشان میدهد که ضریب دمایی صورت بدست میآید:


که در رابطه فوق کیفیت چگالی موثر در انتقال وظرفیت باند می باشد. با توجه به روابط قبل VTH و N (ضریب دمایی) به غلظت ناخالصی بدنه بستگی دارد. که این غلظت به کیفیت بنابراین فرآیند بستگی دارد. N با تغییرات فرآیند میتواند تغییر کند. . که البته این همچنین به دلیل اینکه N با تغییرات بسیار کم است


N A رابطه لگاریتمی دارد. بنابراینTC 6 7 ولتاژ VTH وابستگی خیلی کمی به تغییرات فرآیند دارد

ترکیب دو جریان -3مدار پیشنهادی استفاده ازPTAT و CTATاز طرفی وابستگی دمایی ولتاژ آستانه به صورت زیر بیان میشود:


همان گونه که در شکل((3 مشاهده می کنید. مفهوم اصلی بر اساس تولید دو جریان مثبت ومنفی که به وسیله ترانزیستورهای M1 -M6 حاصل می شود.سپس جریان حاصل از مجموع آنها از مقاومت عبور می کند. در نتیجه آن ولتاژ مرجع حاصل می شود.البته توجه به این نکته لازم است که M 12 و M 67 در ناحیه وارونگی ضعیف کار می کنند. این ایده از اختلاف ولتاژ آستانه ترانزیستورها همانند گذشته استفاده میکنند. بطوری که در اینجا با انتخاب ابعاد مناسب برای ترانزیستورها ln منفی حاصل می شود به منظور جلوگیری از اتلاف جریان و کاهش توان مصرفی این طرح ارائه شده است. همان طور که قبلا ذکر شد برای تولید جریان PTAT با استفاده از رابطه بین ولتاژ با قرار دادن روابط((16 و (17) در عبارت فوق V Ref بصورت زیر بیان می شود:

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید