Circuite Analogice Si Numerice - Vasile Teodor Dadarlat Si Adrian Peculea
Circuite Integrate Analogice Celule fundamentale · 2013-04-01 · Circuite Integrate Analogice...
Transcript of Circuite Integrate Analogice Celule fundamentale · 2013-04-01 · Circuite Integrate Analogice...
Circuite Integrate AnalogiceCelule fundamentale
Facultatea de Electronică Telecomunicații și
Tehnologia Informației
Celule fundamentaleReferințe de curent și de tensiune
Tehnologia Informației
Doris CsipkesDepartamentul de Bazele Electronicii
Din cuprins ...
referințele ca surse independente, parametrii
divizorul rezistiv ca referință de tensiune
referința de tensiune cu diodă MOS sau bipolară referința de tensiune cu diodă MOS sau bipolară
referința de tensiune ci diodă Zener
referința de curent cu autopolarizare (oglinda de curent cu autopolarizare)
referința de curent Widlar bipolară și MOS (PTAT)
referințele VTh și VBE (CTAT)
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 2
referințe independente de tensiunea de alimentare
referințele bandgap
Referințe – definiții
referințe de curent și tensiune → implementările active a surselor independente
curentul sau tensiunea de ieșire sunt independente de sarcină, temperatură și tensiunea de alimentare
referințele → precizie, senzitivitate și coeficient de temperatură mai bune decât referințele → precizie, senzitivitate și coeficient de temperatură mai bune decât circuitele normale → se apropie mai bine de sursele ideale
Sensitivitatea = variația relativă a tensiunii sau curentului de ieșire Xref cu parametrul y
refyXref
ref
X ySy X
1ref
ref
XTC
T X
Coeficientul de temperatură = senzitivita-tea tensiunii sau curentului de ieșire Xref, cu temperatura, normalizată la 1°
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 3
referințele folosesc adesea
dependența fizică în componentele integrate (ex. dependența cu temperatura a tensiunii sau tensiunii termice într-o joncțiune) avantajele provin din topologie (ex. raportul de rezistențe este independent detemperatură)
Divizorul rezistiv ca referință
2
1 2ref DD
RV VR R
2 1 2 1DD refV DD DDV V R V R RS
Pasivă:
pasivă activă
2 1 2
1 2 2
1DD
ref
refV DD DDV
DD ref DD
V R V R RSV V R R R V
→ o variație de 1% a VDD produce 1% variație a tensiunii de referință
21 1D n GS ThnI V V
Activă:
1 2D DI I
| |
1
DD Thn Thpref Thn
n
V V VV V
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 4
1 1
2
2 2
21
1 2
| |
;2 2
D n GS Thn
D p SG Thp
p oxn oxn p
I V V
I V V
C WC WL L
| |
DD
ref
refV DD DDV
DD ref nDD Thn Thp
p
V V VSV V
V V V
1 n
p
1
Referința de tensiune MOS sau bipolară cu diodă
DD refref Th
V VV V
R
MOS:
2DD
ref
refV DD DDV
DD ref ref DD ref
V V VSV V V R V V
ln CC refref T
V VV V
Bipolară: 1 , , ,refVref VDD VCC VTh R
ref
VTC f TC TC TC TC
T V
variația neliniară a Vref cu I →
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 5
lnref TS
V VRI
DD
ref
refV CC CC TV
CC ref ref CC ref
V V V VSV V V V V
variația neliniară a Vref cu I → senzitivitatea descrește cu Vref
neliniaritatea este mai accentuată la tranzistoarele bipolare față de MOS (exponențiala vs. funcția pătratică)
Vref are o gamă redusă (VBE sau VGS)
Referința de tensiune MOS sau bipolară cu diodă
11 DD refref Th
V VRV VR R
MOS:
extinderea gamei tensiunii de ieșire cu un divizor de tensiune adițional
2ref ThR R
2DD
ref
refV DD DDV
DD ref ref DD ref
V V VSV V V R V V
Bipolară: 1 , , ,refVref VDD VCC VTh R
VTC f TC TC TC TC
T V
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 6
1
2
1 ln CC refref T
S
V VRV VR RI
DD
ref
refV CC CC TV
CC ref ref CC ref
V V V VSV V V V V
Vref VDD VCC VTh RrefT V
referința de tensiune este influențată de toate componentele dependente de temperatură
A Zener diode voltage reference
efectul Zener → străpungerea în avalanșă a joncțiunii pn sub efectulul unei tensiuni de polarizare inverse suficien de mari
câmpul electric intrinsec creat de regiunea de golire extinsă desface legătura covalentă a purtătorilor → cădere de tensiune practic constantă și bine definită și independentă de curentindependentă de curent
dependența abruptă a tensiunii de curent prin diodă reduce senzitivitatea
curentul invers prin joncțiune
srăpungere abruptăVBV=ct.
tensiunea de alimentare 1.2V-1.5V
VBV tipică în CMOS mai mare ca 4-5V
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 7
tensiunea inversă prin joncțiune
dezavantaj → VBV mare → neadecvată în aplicațiile de joasă tensiune
Referințe de curent cu autopolarizare folosesc Vref a referinței de tensiune cu diodă pentru a controla o sursă de curent
V V
dacă tranzistoarele sunt împerecheate și echilibrate în tensiune → senzitivitatea cu tensiunea de alimentare se moștenește de la Iref
DD DD
out ref
V VI IS S
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 8
ref
o posibilă îmbunătățire → scalarea senzitivității lui Iref cu un coeficient mai mic decât unitatea
o transformare parțial liniară a lui Vref în Iout → refernța de curent Widlar (oglinda)
; 1DD DD
out ref
V VI IS k S k
Referințe de curent Widlar Implementări posibile cu tranzistoare MOS sau bipolare
1 2 2
1
GS GS out
refGS Th
V V I R
IV V
1 2 2
1 ln
BE BE out
refBE T
V V I RI
V VI
11
22
GS Th
outGS Th
V V
IV V
11
22
ln
ln
BE TS
outBE T
S
V VI
IV VI
21 1 1 4 ref
out
II R
2ln ref STout
I IVIR I I
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 9
22 2 12
42outI R
R 2 1
lnoutout S
IR I I
1
1 2
1
2DD DD
out ref
V VDSatI I
DSat DSat
VS SV V
2
1
DD DD
out ref
V VTI I
T out
VS SV R I
Referințe de curent VTh și VBE
sunt similare cu referențele Widlar, dar conversia tensiune-curent este complet liniară
1
refTh
GSout MOS
IV
VIR R
11
2 2
ln refT
SBEout BJT
IV
IVIR R
2 2out MOS R R
rezistență de ieșire mărită datorită tranzistoarelor cascodă M2 și Q2
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 10
1
1
MOS:2
DD DD
out ref
V VDSatI I
DSat Th
VS SV V
1
Bipolar: DD DD
out ref
V VTI I
BE
VS SV
are cea mai mica senzitivitate posibila cu tensiunea de alimentare dintre referințele cu autopolarizare
Referințe inependente cu temperatura - principiu
autopolarizarea derivă tensiune sau curentul de ieșire de VDD/VCC → inherent supply sensitivity
idee: definirea Iref ca funcție de Iout → independența de tensiunea de alimentare în orice referință Widlar, VTh sau VBE
implică o buclă de reacție pozitivă și dubla definiție a lui Iout → bootstrapping
Ce este acesta??
refIoutI
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 11
Referințe de curent bootstrap – circuitul de pornire
punct static de funcționare stabil → Iref=Iout
bucla de reacție pozitivă → două PSF stabile, unul în origine (Iref=Iout=0)
circuitul de pornire împiedică bucla să se așeze în origine și este dezactivată odată ce începe să conveargă spre punctul static de funcționare doritîncepe să conveargă spre punctul static de funcționare dorit
refIoutI
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 12
Iref=Iout=0 → VGS1=0 → VGS7 >> → M7 injectează curent în M1 → Iout și Iref cresc
creșterea lui Iref și Iout → creșterea VGS1 → VGS7 devine treptat 0 și circuitul de pornire este dezactivat (ID7=0)
Referințe de curent bootstrap
senzitivitatea teoretică a lui Iout cu VDD este zero dacă Iout=Iref
în practică, oglinda M3-M4 este dezechilibrată → ΔV
3 4
( , )out in SD SDV V V V V
V V V f I V
V
3 1
4 4
( , )
( )SD DD GS ref DD
SD SG out
V V V f I VV V f I
1 4DD GS SGV V V V
( ) 0ref VIn f V S
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 13
senzitivitatea poate fi redusă utilizând o oglindă de curent cascodă sau Wilson echilibrată
expresia curentului de ieșire depinde de nucleul referinței (Widlar, VTh, VBE)
( ) 0DD
out
ref VDD I
out
In f V S
I
Referințe compensate cu temperatura
idee: fie două tensiuni cu TC complementar și calculăm o sumă ponderată pentru a obține independența de temperatură
Sunt folosite două tipuri de tensiuni: VBE și ΔVBE
PTATCTAT
variația lui ΔVBE cu temperatura
I I IkT
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 14
11
1
22
2
ln
ln
CBE T
S
CBE T
S
IV VI
IV VI
1 21 2
2 1
( )
ln C SBE BE BE T
C S
f T
I IkTV V V Vq I I
PTAT=Proportional To Absolute Temperature
0.085mV/BE TV V CT T
Referințe compensate cu temperatura
variația lui VBE cu temperatura → curentul de saturație al transistorului bipolar
/ /
/
2/0E n p p n E
SB
n
A D B
p iqA D n q nA DI
W N W termeni dependenți de temperatură
a – constantă (2,4 pentru electroni și 2,2 pentru
0
/ /
2 3G
an p n p
qVkT
i
kT kTD C Tq q
n DT e
a – constantă (2,4 pentru electroni și 2,2 pentru goluri în siliciu) VG0 – banda interzisă a siliciului extrapolată la 0K (1,205V) C, D – constante de material specifice tehnologiei independente de temperatură
0 01 3 4
G GqV qVa aE kT kT
SkA CDI T T e bT eN W
40 ln aC
BE GIkTV V T
q b
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 15
CTAT=Complementary To Absolute Temperature
/S
A D B
b
N W0BE G q b
0 4BE GBE V VV a kT T q
2mV/BEV C
T
Referințe bandgap – principiu se generează o tensiune VBE forțând un curent printr-o diodă bipolară
obținem o tensiune ΔVBE utilizând o buclă de tensiune într-un circuit PTAT → tipic unele structuri de oglinzi de curent Widlar bipolare
ponderăm tensiunea termică VT și o însumăm cu VBE → α trebuie să fie independent de temperaturătemperatură
out BE TV V V 0out BE TV V VT T T
BE TV VT T
2mV / 23.5
0.085mV /C
C
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 16
VBE reală are o curbură → nu scade liniar cu T → compensarea nu este perfectă
proiectarea se optimizează pentru temperatura nominală, unde TC=0
tensiunea de ieșire este aproximativ1,2V → bandgap
Referințe bandgap – exemple
1 1 1 3 2 2out BE BEV V I R V I R
Referința bandgap de tip Widlar → tehnologie bipolară
Legea lui Kirchhoff pentru tensiuni (KII) la Vout :
1 1 1 3 2 2out BE BEV V I R V I R
Oglinda de curent Widlar:
1 21 2 2 3 2
3 2 3 1
ln lnT TBE BE
V I V RV V I R IR I R R
21 2 3 1 3 1 2
1S S S BE BE
RI I I V V I IR
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 17
out BE TV V V
2 21
3 1
lnout BE TR RV V VR R
2 2
3 1
ln ( )R R f TR R
Referințe bandgap – exemple
1 2 2 1BE BEV V I R
Referința bandgap Song → tehnologie BiCMOS sau CMOS cu tranzistoare PNP laterale
Oglinda de curent Widlar:
1 2 2 1BE BE
212
1 2 1
ln STPTAT
S
IV II IR I I
2 2
1 1
S E
S E
I A NI A
KII pentru V :
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 18
out BE TV V V 23
1
lnout BE TRV V V NR
2
1
ln ( )R N f TR
KII pentru Vout :
3 2out BE PTATV V I R
Referințe bandgap – exemple
Referința bandgap de tip BrokawOglinda de curent Widlar:
1 2 2 2BE BEV V I R
IV I 212
2 2 1
ln ST
S
IV IIR I I
2 2
1 1
S E
S E
I A NI A
KII pentru Vout :
V V
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 19
out BE TV V V 11
2
2 lnout BE TRV V V N
R
1 1 1 2out BEV V R I I
1
2
2 ln ( )R N f TR
Referințe bandgap – exemple
Referința bandgap de tip BiCMOS
Oglinda de curent Widlar:
1 2 3 1BE BEV V I R
213
1 3 1
ln ST
S
IV IIR I I
2 2
1 1
S E
S E
I A NI A
KII pentru Vout :
4 2 3 5out BEV V R I I
I I I I
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 20
out BE TV V V 24
1
2 lnout BE TRV V V NR
2
1
2 ln ( )R N f TR
1 2 3 5I I I I
Referințe bandgap – exemple
Referința sub-bandgap CMOS cu transistoare PNP laterale
Oglinda de curent Widlar:
1 2 2 1EB EBV V I R
212
1 2 1
ln ST
S
IV IIR I I
2 2
1 1
S E
S E
I A NI A
Legea lui Kirchhoff pentru curenți (KI) la nodul de ieșire:
V V
V V R
KII pentru Vout :
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 21
out BE TV V V
3 4 5 2
33 4 5 2 3 5 1
( )( )
lnout EB T
f Tf T
R R R RV V V NR R R R R R R
3 3 2out EBV V I R
53 2 4 5 2
4 5 3 4 5
out outV V RI I I I IR R R R R
Referințe bandgap – exemple
Referința sub-bandgap bipolară
Oglinda de curent Widlar:
1 2 2 2BE BEV V I R
IV I I AV V 21
22 2 1
ln ST
S
IV IIR I I
2 2
1 1
S E
S E
I A NI A
V V
1 1 1 2 3out BEV V R I I I
KII pentru Vout :
7outV RI
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 22
celula Brokaw
out BE TV V V
5 6 7 11
5 6 7 1 7 2
( )( )
2 lnout BE T
f Tf T
R R R RV V V NR R R R R R
7
35 6 7
outIR R R
Bibliografie
P.E. Allen, D.R. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Oxford University Press, 2002
B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2002
D. Johns, K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1996
P.R.Gray, P.J.Hurst, S.H.Lewis, R.G, Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, Wiley,2009
R.J. Baker, CMOS Circuit Design, Layout and Simulation, 3rd edition, IEEE Press, 2010
Circuite Integrate Analogice – Celule Fundamentale – Referințe integrate de curent și tensiune 23