Σχεδιασμός ολοκληρωμένου κυκλώματος τάσης αναφοράς τεχνολογίας CMOS 0.18μm:
Creators: name: Κοσμίδης, Ιωάννης Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: τάση αναφοράς
αντιστάθμιση καμπύλωσης
τάση εκτροπής
voltage bandgap reference
curvature compensation
offset voltage

description: Στα πλαίσια αυτής εργασίας σχεδιάστηκαν και προσομοιώθηκαν δύο ολοκληρωμένα κυκλώματα τάσης αναφοράς σε τεχνολογία 180nm και με τάση τροφοδοσίας 1.8V, το πρώτο με αντιστάθμιση καμπυλότητας της εξόδου 1ης τάξης και το δεύτερο με αντιστάθμιση καμπυλότητας της εξόδου 2ης τάξης. Ο στόχος ήταν να σχεδιαστούν κυκλώματα τάσης αναφοράς με θερμοκρασιακό συντελεστή μικρότερο των 5ppm/οC, στο θερμοκρασιακό εύρος (-40οC έως 120οC) και απόρριψη κυμάτωσης της τάσης τροφοδοσίας μεγαλύτερη από -50dB. Επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί ένας αναδιπλούμενα κασκοδικός ενισχυτής λόγω των υψηλών επιδόσεων του στην απόρριψη κυμάτωσης της τάσης τροφοδοσίας (PSRR) και του μεγάλου κέρδους του. Για την πόλωση του ενισχυτή σχεδιάστηκε κύκλωμα πόλωσης σταθερής διαγωγιμότητας – ευρείας διακύμανσης (constant transconductance wide-swing). Τον πυρήνα ενός κυκλώματος τάσης αναφοράς τον απαρτίζουν ο ενισχυτής και δύο διπολικά τρανζίστορ. Τα διπολικά τρανζίστορ που χρησιμοποιήθηκαν ήταν pnp τρανζίστορ υποστρώματος. Οι αντιστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν στα δύο κυκλώματα ήταν αντιστάσεις p+ POLY, με θερμοκρασιακό συντελεστή -0,04 • 10-3/οC. Οι συνολικές διαστάσεις των δύο κυκλωμάτων (φυσική σχεδίαση) είναι 165,5μm x 207,5μm και 119,5μm x 165,5μm για τα κυκλώματα με αντιστάθμιση 1ης και 2ης τάξης αντίστοιχα. Καθ' όλο τον σχεδιασμό χρησιμοποιήθηκε και ένα εξωτερικό στοιχείο ώστε να υπάρχει ένας βαθμός ελευθερίας στο κύκλωμα κατά την διάρκεια των μετρήσεων του τελικού chip. Οι επιδόσεις των δύο κυκλωμάτων κρίνονται ικανοποιητικές και είναι οι παρακάτω, για το κύκλωμα τάσης αναφοράς με αντιστάθμιση καμπύλωσης πρώτης τάξης και δεύτερης τάξης αντίστοιχα, θερμοκρασιακός συντελεστής 4,84 ppm/oC και 2,56 ppm/oC, PSRR -63dB και – 36 dB και κατανάλωσης ρεύματος 128μΑ και 173μΑ. Τέλος, σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε μαζί με το κύκλωμα τάσης αναφοράς ένας τελεστικός ενισχυτής στον οποίο έχει εφαρμοστεί μια τεχνική μείωσης του offset (chopping), ώστε να μελετηθεί η βελτίωση που προκαλείται στην τάση εξόδου όταν στην μία είσοδο του ενισχυτή τεθεί μία τάση offset.
description: In this work, two CMOS bandgap references were designed and simulated in a 180nm technology and with a power supply of 1.8V, the first one was a 1st order curvature-compensated voltage bandgap reference and the second one a 2nd order curvature-compensated. The objective of this work was to design a bandgap reference with a temperature coefficient smaller than 5ppm/οC in the military temperature range (-40οC to 120οC) and PSRR (Power Supply Reject Ratio) better than -50dB. For this purpose, it was chosen to use a folded-cascode amplifier because of its high PSRR and gain performances. Also a constant transconductance – wide swing bias circuit was designed in order to generate the proper bias voltages for the folded-cascode amplifier. The core of a bandgap reference circuit is composed of this amplifier and two bipolar junction transistors (bjt). The bjts used was pnp substrate transistors. The type of the resistors used was p+ POLY resistors, with a temperature coefficient -0,04 • 10-3/οC. The total dimension of the designed circuits (Layout) are 165,5μm x 207,5μm and 119,5μm x 165,5μm for the 1st and 2nd order temperature compensated bandgap reference, respectively. Throughout the design, it was used an external element (a resistor) in order to have degree of freedom in the measurement process of the final chip. The performances of the two circuits are summarized below, for the first and second order curvature compensated voltage bandgap reference, respectively: temperature coefficient 4,84 ppm/oC and 2,56 ppm/oC, PSRR -63dB and – 36 dB and current consumption 128μΑ and 173μΑ. Finally, it was designed a chopped folded cascode amplifier and it was simulated in the bandgap reference circuit in order to obtain information about the performance improvement of the circuit when an offset voltage added to one of amplifier's inputs.