CC BY
41
УДК 621.382.2
ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ВТОРИЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ
КОМПЕНСАЦИЕЙ
Е.Д. Алперин, А.В. Белявцев, В.П. Крюков, И.А Суров
Рассматривается источник опорного напряжения (ИОН), построенный на ширине запрещённой зоны с использованием ячейки Брока и с компенсацией опорного напряжения второго порядка. Представлены результаты моделирования данного ИОНа, выполненного по технологии BiCDMOS. Проведено сравнение полученных температурных характеристик опорного напряжения ИОНа с компенсацией второго порядка и без неё. Проведено исследование влияние технологического разброса сопротивления резисторов на опорное напряжение
Ключевые слова: источник опорного напряжения, запрещённая зона, ячейка Брока, компенсация опорного напряжения второго порядка, BiCDMOS
В 1974 году Paul Brokaw опубликовал статью "A simple Three-Terminal IC Bandgap Reference". В ней он изложил новую на тот момент идею конструкций схемы для получения стабильного опорного напряжения на ширине запрещенной зоны. Основу этой конструкции называют ячейкой Брока (Brokaw cell)[1].
Зависимость напряжения UБЭ от температуры имеет потенциал ширины запрещенной зоны при абсолютном нуле [2]. Напряжение запрещенной зоны при нуле Кельвинов, является строго теоретическим понятием, при этой температуре нет никаких полупроводников, фактически электроны не двигаются вообще.
и, в
1,2
11БЭ+(1ТД11БЭ)
пЛ1)БЭ . \ ^
^^ -0,6 в
11БЭ ^"ч^ Д11БЭ __
-273 -60 -25 150 Т, С
Рис. 1. Зависимость напряжения иБЭ от температуры
В основе всех ИОНов с напряжением запрещённой зоны лежит компенсация напряжения база-эмиттер транзистора с отрицательным ТКН, разностью напряжений база-эмиттер транзисторов работающих при разных уровнях токов с положительным ТКН (рис. 1). В результате получается напряжение с ТКН близким к нулю и приблизительно
Алперин Евгений Данилович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-65
Белявцев Андрей Владимирович - НИИЭТ, инженер, тел. (473) 226-29-37
Крюков Валерий Петрович - НИИЭТ, канд. техн. наук, начальник отделения, т. (473) 232-02-72 Суров Илья Александрович - НИИЭТ, инженер, тел. (473) 226-29-37
равное 1,23В — теоретическое напряжение ширины запрещенной зоны кремния [2].
к • Т
AU
БЭ
ln
q
Vi!
VA2 • !l
(1)
где А - это площадь эмиттера каждого транзистора и I - ток, протекающий через транзистор.
Для получения разности напряжений база-эмиттер двух транзисторов есть выбор: использовать транзисторы с разными площадями эмиттер-ных переходов (или набор одинаковых транзисторов соединенных параллельно); использовать транзисторы, через которые протекают токи с разными уровнями; или использовать комбинацию этих вариантов.
Ячейка Брока [3] формируется транзисторами д1, д2, д3, р4, р5 и резисторами Ю, Я2 (рис. 2).
Рис. 2. Ячейка Брока
Транзистор имеет площадь эмиттерного перехода в N — раз больше площади эмиттерного перехода транзистор р2. Транзисторы р4 и р5 образуют токовое зеркало, оно задает равные токи в транзисторах и р2.
Поскольку токи коллекторв и р2 одинаковые, связь между базо-эмиттерным напряжением транзисторов и р2 имеет вид [3]
ЛИ БЭ = и БЭ2 - и БЭ1 = V • ВД (2)
АИ БЭ — это падение напряжения через резистор Я1 на рис. 2.
Опорное напряжение ИКЕР определяется [3].
Я2
Икер = И БЭ2 + 2 • ЛИ БЭ • — (3)
На рис. 3,5 показаны результаты моделирования рассматриваемой схемы, выполненной по
BiCDMOS технологии [4] в среде моделирования Spectre Circuit Simulator системы автоматического проектирования (САПР) Cadence [5].
U
ref
Рис. 3. Зависимости UREF(T) от температуры.
опорного
напряжение
Зависимости опорного напряжения от температуры, показанная на рис. 3, имеет форму параболы и размах напряжения около 3,8 мВ. Такой большой размах напряжения следует уменьшить. Для этого воспользуемся методом компенсации опорного напряжения второго порядка [6]. Смещая вершину характеристики опорного напряжения в область отрицательных температур (уменьшая значение резистора Я2 (рис. 2)), можно выпрямить температурную характеристику в области отрицательного наклона. Что, поднимет температурную характеристику в области положительных температур. Линейное смещение с положительным наклоном можно сформировать схемой, которая состоит из PNP(Q7) — транзистора и цепи смещения на выходе эмиттерного повторителя (Я4, Q6) (рис. 4).
Рис. 4. Схема ИОНа построенного на ширине запрещённой зоны, с компенсации опорного напряжения.
Что бы, создать линейное смещение с положительным наклоном, необходимо разбить резистор Я2 (рис. 2) на два последовательно соединенных резистора (Я2',Я2/") (рис. 4). В этом случае опорное напряжение будет равно[6]
„ ^ k• T л ,л R2 тт
: UБЭ2 + 2 • Vt---ln(N) — + Uptat2 ,(4)
q R1
: iptat2 ' r2
где R2 = R2/ + R2//, ^^^
Управляя значением током можно
корректировать опорное напряжение в температурном диапазоне.
Схема ИОНа построенного на ширине запрещённой зоны с использованием ячейки Брока, со схемой запуска и схемой компенсации опорного напряжения второго порядка показа на рис. 4. Ячейка Брока формируется транзисторами Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q9 и резисторами Ю, R2/, R2//.Транзисторы Q8, Q10, Q11 и резистор Я5 образуют схему запуска. Схема компенсации построена на транзисторах Q7, Q6 и резисторы Я3 Я4.
На рис. 5 приведены зависимости опорного напряжения от температуры зависимостть — 1 схема ИОНа, построенного на ширине запрещённой зоны, с использованием ячейки Брока без компенсации опорного напряжения второго порядка (рис. 2) и зависимоть — 2 схема ИОНа, построенного на ширине запрещённой зоны, с использованием ячейки Брока с компенсацией опорного напряжения второго порядка (рис. 4). Размах опорного напряжения в температуре схемы ИОНа с компенсацией опорного напряжения уменьшился до 1 мВ, почти в 4 раза по сравнению с результатом в 3,8 мВ схемы ИОНа без компенсации опорного напряжения (рис. 2).
Рис. 5. Зависимости U REF (T) от температуры
опорного
напряжения
Во время изготовления кристаллов на фабриках возникает технологический разброс параметров элементов, проявляющийся в номинально идентичных кристаллах вне зависимости от того, изготовлены ли эти кристаллы на одной кремниевой пластине или нет. Он связан с изменением размеров и свойств материалов, из которых формируются схемные элементы и соединения. Изменение ширины нижних слоев металлизации за счет литографических и дифракционных эффектов приводит к разбросу сопротивления и паразитной емкости соединительных линий. Аналогичные последствия возникаю при изменение толщины слоев металла и диэлектрика.
На опорное напряжение согласно формуле (4), может повлиять разброс следующих параметров: напряжение база-эмиттер биполярного транзистора и разброс сопротивлений резисторов.
Исследуем, как на опорное напряжение влияет технологический разброс сопротивлений резисторов изготовленных по технологии SMOS8MV.
На рис. 6 показаны зависимости опорного напряжение от температуры при технологическом разбросе значений сопротивлений резисторов полученные в среде моделирования Spectre Circuit Simulator САПР Cadence.
....................................... ____ 1 2
........................................4...........
5
-70 -30 10 50 90 130 Т, °С
Рис. 6. Зависимость опорного напряжения от разброса сопротивления резисторов.
Зависимости: 1 — значение сопротивлений R2^ > R2/ и R2^ < R2//, 2 — значение всех сопротивлений отклонилось в меньшую сторону, 3 — без отклонения технологических параметров сопротивлений, 4 — значение всех сопротивлений отклонилось в большую сторону, 5 — значение сопротивлений R2^ < R2/ и R2^ > R2//. (R2^ , R2^ — сопротивление резистора при отклонение технологических параметров).
Из рассмотрения зависимостей (рис. 6) можно сделать вывод, что рассогласование отношения резисторов R2' и R2" имеет большее влияние на опорное напряжение (зависимости 1 и 5), чем уход технологических параметров всех резисторов одновременно (зависимости 2 и 4).
Поэтому согласованию резисторов следует уделять особое внимание при разработке топологии схемы.
Схема ИОНа построенного на ширины запрещенной зоны с использованием ячейки Брока и компенсацией опорного напряжения второго порядка имеет лучшую характеристику опорного напряжения в температуре по сравнению со схемой без компенсации. Исследование зависимости опорного напряжения от технологического разброса сопротивлений показали, что резисторы необходимо согласовывать, для уменьшения влияния их технологического разброса на параметры опорного напряжения.
Литература
1. A. P. Brokaw, "A Simple Three-Terminal IC Bandgap Reference", IEEE Journal of Solid-State Circuits, volume SC-9, pp. 388-393, December, 1974.
2. Hans Camenzind. "Designing Analog Chips", 2005. - 242 p.
3. David F. Cox "Bandgap with Corrections", NASA Institute of Advanced Microelectronics
4. Cadence Analog Design Environment User Guide. Product Version 5.0, 2003, 480 p.
5. SMOS8MV Device Performance Targets, Freescale Semiconductor, April 2006, 28 p.
6. G. A. Rinco-Mora "Voltage references: from diodes to precision high-order bandgap circuits". IEEE Press, 2002, 184 p.
Воронежский государственный технический университет Научно-исследовательский институт электронной техники, г. Воронеж
BANDGAP REFERENCE USES BROKAW CELL BUILDING ON BiCDMOS TECHNOLOGY
E.D. Alperin, A.V. Belyavtcev, V.P. Krukov, I.A. Surov
It is observed bandgap voltage reference uses Brokaw cell and second-order references. Results of modeling bandgap reference building on BiCDMOS technology. Compare dependence temperature characteristics voltage reference with compensation of the second order and without it. Research agency of technological spread of resistance of resistors on reference voltage is carried out
Key words: voltage reference, bandgap, Brokaw cell, second-order references (curvature correction), BiCDMOS
