Κύκλωμα Αναφοράς Bandgap με Θερμοκρασιακή Αντιστάθμιση και Βελτιστοποίηση Θορύβου
Creators: name: Λεμονού, Αικατερίνη Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Αντιστάθμιση Θερμοκρασίας
Συντελεστής Θερμοκρασίας
Βελτιστοποίηση Θορύβου
Temperature Compensation
Temperature Coefficient
Noise Optimization

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία, διερευνάται η διαδικασία σχεδιασμού ενός κυκλώματος τάσης αναφοράς BandGap Reference (BGR) με στόχο την ελαχιστοποίηση της επίδρασης της θερμοκρασίας στην επίδοση του κυκλώματος. Η βασική αρχή πίσω από ένα BGR περιλαμβάνει τον συνδυασμό πηγών τάσης ή ρεύματος που εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και έχουν αντίθετους θερμοκρασιακούς συντελεστές. Μέσω του προσεκτικού σχεδιασμού του κυκλώματος, οι διακυμάνσεις που προκαλούνται από τη θερμοκρασία μπορούν να αλληλοαναιρεθούν, με αποτέλεσμα μία σταθερή και ακριβή τάση αναφοράς στην έξοδο του κυκλώματος, η οποία παραμένει σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Τα κυκλώματα αυτά διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στα περισσότερα ηλεκτρονικά συστήματα, παρέχοντας μια αξιόπιστη και ακριβή τάση εξόδου ανεξάρτητη από τα process variations, τις διακυμάνσεις στην τάση τροφοδοσίας και τις μεταβολές στην θερμοκρασία (PVT variations). Αυτή η εργασία εστιάζει στην απόκτηση θεωρητικής κατανόησης των κυκλωμάτων Bandgap Reference και στο σχεδιασμό ενός τέτοιου κυκλώματος. Το κύκλωμα αναφοράς σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας τεχνολογία 65nm, με στόχο να καλύψει συγκεκριμένες απαιτήσεις επιδόσεων και στη συνέχεια προσομοιώθηκε ώστε να μελετηθεί η λειτουργία του, να αξιολογηθεί η επίδοση του και να διαπιστωθεί εάν πληρούνται αυτές οι απαιτήσεις. Ο σχεδιασμός είχε στόχο να επιτύχει τάση αναφοράς (VREF) ίση με 700 mV και ρεύμα εξόδου (IREF) 500 nA σε θερμοκρασία 50°C. Επιπλέον, το προτεινόμενο κύκλωμα περιλαμβάνει ένα κύκλωμα εκκίνησης για την κατάλληλη αρχικοποίηση του κυκλώματος και την αποτελεσματική του λειτουργία. Επιπλέον, περιέχει και έναν μηχανισμό απενεργοποίησης ο οποίος δίνει την δυνατότητα ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του κυκλώματος, ανάλογα με τις ανάγκες του ηλεκτρονικού συστήματος στο οποίο ανήκει η Bandgap. Τα πειραματικά αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η τάση αναφοράς εμφανίζει έναν βέλτιστο συντελεστή θερμοκρασίας ίσο με 10 ppm/°C σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών, από -40°C έως 125°C. Η μέση κατανάλωση ισχύος του κυκλώματος είναι 9,7 uA σε τάση τροφοδοσίας 2,5 V. Επιπροσθέτως, διεξήχθη μια ολοκληρωμένη έρευνα σχετικά με τη συμβολή του θορύβου στην λειτουργία του κυκλώματος, ο οποίος προέρχεται από τα διάφορα εξαρτήματα του. Μέσω προσομοιώσεων διαπιστώθηκε ποια στοιχεία του κυκλώματος αποτελούν τις βασικές πηγές θορύβου με στόχο τη μείωση του συνολικού θορύβου του κυκλώματος. Τέλος, το κύκλωμα τροποποιήθηκε και μελετήθηκε μια βελτιωμένη έκδοση του, όπου πραγματοποιείται αντιστάθμιση καμπυλότητας (curvature compensation) στην τάση αναφοράς, με σκοπό την ελαχιστοποίηση της διακύμανσης της τάσης αυτής κατά την μεταβολή της θερμοκρασίας. Αυτό το τροποποιημένο κύκλωμα μειώνει σημαντικά τον συντελεστή θερμοκρασίας, με τη χαμηλότερη τιμή να καταγράφεται στα 2 ppm/°C, ενώ δίνει την δυνατότητα ρύθμισης της τάσης αναφοράς και του συντελεστή εξωτερικά.
description: In this master thesis, the design process of a temperature-independent, current-mode Bandgap Reference (BGR) circuit is explored. The core principle behind a BGR involves combining temperature-dependent voltage or current sources with opposite temperature coefficients (TC). Through careful circuit design, temperature-induced variations can cancel each other out, resulting in a stable and accurate voltage reference that remains consistent across a wide range of temperatures. BGR circuits play a critical role in integrated systems, providing a reliable and precise voltage reference output regardless of process, power supply voltage, and temperature (PVT) fluctuations. This thesis primarily focuses on gaining a theoretical understanding of performance limitations and designing a Bandgap Reference circuit. The Bandgap Reference circuit was designed using 65nm process technology to meet specified performance requirements and was subsequently simulated to study its operation, assess its performance, and ascertain if it meets the specifications. The design aimed to achieve a voltage reference (VREF) of 700 mV and an output current (IREF) of 500 nA at 50°C. In addition, the proposed circuit includes a start-up circuit for proper initialization of the circuit and its efficient operation. Also, it contains a disabling mechanism that enables the circuit to be activated and deactivated, depending on the needs of the electronic system to which the circuit belongs. Experimental results indicate that the reference voltage exhibits an optimal temperature coefficient (TC) value of 10 ppm/°C across a broad temperature range, from -40°C to 125°C. Notably, the circuit's average current consumption is 9.7 uA at a supply voltage of 2.5V. In addition, a comprehensive investigation was conducted on the noise contribution to the circuit operation, which originates from the various components. Through simulations, it was established which elements of the circuit are the main sources of noise with the aim of reducing the total noise of the circuit, albeit with the trade-off of increased silicon area. Finally, the circuit was modified and an improved version of it was studied, where curvature compensation is carried out in the reference voltage, with the aim of minimizing the variation of this voltage across the temperature change. This modified circuit significantly reduces the temperature coefficient, with the lowest value equal to 2 ppm/°C, while allowing the reference voltage and coefficient to be modified externally.