CC BY
79
Чувствительность КМОП-источника опорного напряжения к вариациям параметров элементов
Е.Н. Бормонтов, Е.В. Сухотерин, Д.В. Колесников, Е.В. Невежин Введение
Источник опорного напряжения (ИОН) является составным элементом многих сложно-функциональных блоков, таких как аналого-цифровые преобразователи, вторичные источники питания и др. [1 - 5]. Обычно к нему предъявляются жесткие требования к точности выходного напряжения. Поэтому, как правило, ИОН включает в себя подстройку уровня выходного напряжения [6]. Она должна иметь небольшой шаг и при этом перекрывать возможное отклонение выходного напряжения.
В силу малости отклонений выходного напряжения опорного источника эффективным методом его анализа может служить оценка его чувствительности к вариациям параметров отдельных элементов. Величины чувствительностей выходного напряжения дают возможность определить степень влияния параметров отдельных элементов схемы на выходное напряжение [7], что позволяет повысить эффективность проектирования этих устройств.
Постановка задачи.
Рассмотрим типичную структуру источника (рис. 1), получившую широкое распространение и продемонстрировавшую высокую эффективность. Ее элементами являются биполярные транзисторы (<21-05), резисторы (Я1, Я2), МОП-транзисторы (М1-М3) и операционный усилитель А1.
Рис. 1. Структура источника опорного напряжения.
Будем полагать, что площади эмиттеров биполярных транзисторов связаны соотношениями Лд]=Лд2=Адз=Адз/т=ЛдУт. Считаем, что токи стоков транзисторов М1-М3 допускают следующее представление: 1М]=!^к]; !М2=Ык2; 1м3=Ык3\ где коэффициенты к], к2, к3 характеризуют отклонения тока от некоторого номинального значения М. Если получить выражения для тока стока транзистора М2 и напряжения база-эмиттер Q5, появится возможность для определения выходного напряжения источника.
Для контура, включающего входы операционного усилителя Л], резистор Я] и биполярные транзисторы Q], Q2, Q3, Q4, справедливо соотношение
Усм — (^М2^1 + ^БЭЗ + ^бэа) ~ СЦбЭ! + ^БЭт):,
где исм - напряжение смещения операционного усилителя.
С другой стороны, очевидно,
(Убэ1 + ^бэт) ~ (Цбэз + Убэ4) = 2^п(^ш). Тогда для тока стока транзистора М2 можно получить
2Ус1п(^т) + иау
'м2 =---------------------------------. (1)
Кг
Через ток 1М3, учитывая заданную выше его связь с током 1М2, напряжение база-эмиттер биполярного транзистора Q5 можно выразить следующим образом:
и у^(2У^1п(лт) + и‘м)\
= --------ад---------)■ (2)
В этих условиях выходное напряжение приобретает следующий вид:
„ \, г,„^(2^п(£т) + <)\ и°ис И1к2\ ‘ {к2т) + исл') + Ус у К1/0 ^ (3)
где ¥=кТ/д- тепловой потенциал.
Выражение (3) дает следующие полуотносительные чувствительности выходного напряжения ИОН к номиналам резисторов Я1, Я2 и коэффициентам Ы:
Д2 к3 ( (к!
и л? к3 / (к! \ \
5^ = -у‘-тМщ1пшт)+и~' )■
и И2 к3 ( /к! \ \
^=тМ2Ус1пшт)+и4
Uout ____
и 2Уг2 И2 к3
cuout _ __________;__________1-2]/ __—__
исм + 2Ус1п(!£т) ‘К1к2'
2
2 V/ И2к3 Я2к3/ (к! \ \
т-Ъ- 12У'1п (йт)+ исм)'
исм + 2 Уг1п
и л? к3 / (К! \ \
< =* + *ИГ''п(йт) + и4
Чувствительности выходного напряжения ИОН к коэффициентам к1, к2, к3 характеризуют влияние отклонения токов транзисторов М1, М2, М3 от номинального значения на выходное напряжение. На основе этих
соотношений, рассчитав среднеквадратическое отклонение тока [8 - 10], можно оценить степень влияния МОП транзисторов на опорное напряжение.
Кроме того, (3) позволяет рассчитать абсолютную чувствительность выходного напряжения к напряжению смещения операционного усилителя:
R2 к3 Vt R2 к3 1
а п
исм
Rtk2 !?lf2Vtln(—m) + UCM) Rik2 2 — ln(—m)
к2\ г Vfc2 ) см) fc2 Vfc2 )
С другой стороны, выходное напряжение можно выразить через напряжения база-эмиттер биполярных транзисторов: k3R2
U°ut (^БЭ1 + УбЭ2 ~ УбЭЗ ~ УбЭ4 + Uсм) + УбЭ5' (4)
откуда можно получить полуотносительные чувствительности выходного напряжения ИОН к напряжению база-эмиттер биполярных транзисторов:
и к3 R2 и к3 R2
СиоШ __________и СиоШ _________и
иБЭ1 ~ к2 R1 БЭ1 ' иБЭ2 ~ к2 R1 БЭ2' и к3 R2 и к3 R2
СиоШ ____________И cuout __________И
цбэз ~ к2 R1 БЭЗ ' иБЭ*~ к2 R1 БЭ4'
С^оШ ____ тт
иБЭ5 БЭ5'
Суммы полуотносительных чувствительностей по компонентам
C^out __ C^out I c^out _ _\т
~ ^Rl ^Rl _ vt,
c^out __ C^out I C^out I C^out I c^out I c^out _ ff
иБЭ иБЭ1 иБЭ2 иБЭЗ иБЭ4 иБЭ5 0Ut’
^Uout _ £Uout _|_ £Uout _|_ £Uout _ Q
^ ^Ml ^M2 !мз
дают возможность оценить их влияние при групповых отклонениях технологического процесса [11].
На рис. 2, 3 приведены температурные зависимости чувствительности выходного напряжения к резисторам Я1, Я2 и коэффициентам Ы. Рис. 4
отображает зависимость его абсолютной чувствительности к напряжению смещения операционного усилителя от величины т (рис.4).
1
0.5
«0
и
0.5
-1
I 12
I 11
-100 -50 0 50 100 150
т °с
Рис. 2. Полуотносительные чувствительности выходного напряжения ИОН к резисторам в диапазоне температур.
0.5
И о
и
-0.5
кз
/
к2 кі
-1
100 50 О 50 100 150
Т, °С
Рис. 3. Температурная зависимость полуотносительных чувствительностей выходного напряжения ИОН к коэффициентам к1, к2, к3 в
диапазоне температур.
20
Рис. 4. Абсолютная чувствительность выходного напряжения ИОН к напряжению смещения в зависимости от т.
В табл. 1 указаны значения поэлементных чувствительностей
рассматриваемой структуры ИОН, рассчитанные в условиях т=8, к1=к2=к3=1 при 27°С.
Таблица 1
Значения чувствительностей выходного напряжения ИОН
-0.453В
0.428 В
*кг 0.218 В
С^ош -0,671 В
С^оШ 0,453 В
с а и исм 5,82
Выводы
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
- суммы полуотносительных чувствительностей выходного напряжения
к резисторам и напряжениям база-эмиттер биполярных транзисторов являются константами при заданной температуре. Это означает, что разброс выходного напряжения ИОН определяется групповыми свойствами элементов (резисторов и биполярных транзисторов) выбранного
технологического базиса;
- при групповом отклонении параметров технологического процесса характеристики МОП-транзисторов не влияют на точность опорного напряжения ИОН, т.к. отношения токов в ветвях при этом не изменяется;
- влияние напряжения смещения усилителя можно снизить путем увеличения отношения площадей биполярных транзисторов Q3 к Q1. Это положение позволяет получить оптимальные характеристики ИОН с точки
зрения площади блока, занимаемой на кристалле и величины разброса опорного напряжения;
- температурные зависимости чувствительностей к резисторам и токам позволяют рассчитать среднеквадратичное отклонение опорного напряжения с учетом их рассогласования;
Заключение
Таким образом, результаты анализа показали, что оценка влияния отклонений элементов схемы на выходные параметры с использованием аппарата чувствительности является эффективным и надежным инструментом. Дальнейшим развитием проведенного анализа может быть связано с прогнозом отклонения опорного напряжения ИОН и определением структуры схемы его начальной подстройки в заданных технологических условиях.
Литература
1. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем / Гребен А.Б. // М.: Энергия, 1972, 255с.
2. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. / С. Соклоф, А. Федоров // пер. с английского А. Б. Перевезенцева, под ред. В. Д. Вернера; М.: Издательство «Мир», 1988, 583 с.
3. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование // Перевод с анлийского
под редакцией Е.Б. Володина, М: «Техносфера», 2007, 1015с.
4. В.К. Игнатьев, А.В. Никитин, С.В. Перченко, Д.А. Станкевич,
Динамическая компенсация дополнительной погрешности прецизионного АЦП [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012 г, №2. - Режим доступа:
http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2012/771 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.
5. Gray P.R. Analysis and Design of Analog Integrated Circuits / P.R Gray, P.J.
Hurst, S.H. Lewis, R.G. Meyer. // New York: Wiley, 2001, 897p.
6. Макаров А.Б. Технологическая миграция источников опорного
напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния / А.Б. Макаров, И.В. Кочкин // Проблемы разработки перспективных микро-и наноэлектронных систем - 2010. Сборник трудов под общ. ред. академика РАН А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2010 . C. 547552.
7. Гехер К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей. / К.
Гехер // Будапешт, 1971, пер. с англ. Под ред. Ю.Л. Хотунцева. М.: «Сов. Радио», 1973, 200с.
8. Оценка точности источника опорного напряжения в технологии 0.18
мкм / Е.В. Сухотерин, Е.В. Невежин, Б.К. Петров, Д.В. Колесников // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники : материалы X междунар. науч.-практ. семинара. - Шахты, - 2013. - С. 69-74.
9. А.М. Пилипенко, В.Н. Бирюков, Моделирование параметров МОП-
транзисторов в широком температурном диапазоне [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2013 г, №4. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1917 (доступ свободный)
- Загл. с экрана. - Яз. рус.
10. Pelgrom, M.J.M.; Duinmaijer, A.C.J.; Welbers, A.P.G., "Matching properties of MOS transistors," Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol.24, no.5pp. 1433- 1439, Oct 1989.
11. Herbst S. A Low-Noise Bandgap Voltage Reference Employing Dynamic Element Matching / Herbst S. // Massachusetts institute of technology, 2011, 109p.
