CC BY
413
УДК 621
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
А.М. Сумин
Разработана принципиальная электрическая схема и топология источника опорного напряжения в технологии 180 нм
Ключевые слова: ИОН, полупроводник, базис, САПР, топология
Постановка задачи. Источники опорного напряжения (ИОН) являются важными блоками в интегральных микросхемах, таких как аналогоцифровые (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Такие устройства нуждаются в высокоточном опорном напряжении для обеспечения необходимой разрешающей способности преобразования данных. Современные тенденции развития субмик-ронных КМОП технологий сопровождаются снижением потребляемой мощности устройств преобразования и напряжения питания. Для работы с такими схемами требуются низковольтные источники опорного напряжения. Уровень опорного напряжения в таких схемах часто является ниже 1В [1].
Температурно-независимый ИОН - это электрическая схема, предназначенная для получения выходного напряжения, не зависящего от температуры. Поскольку параметры электронных компонентов, входящих в состав схемы источника опорного напряжения, зависят от температуры, его схема проектируется таким образом, чтобы имели место компенсирующие эффекты, приводящие по крайней мере номинально, к минимизации результирующего дрейфа напряжения источника в заданном диапазоне температур. Простейшие ИОН не обладают удовлетворительной температурной стабильностью и предназначены в основном для формирования статического смещения. Такие схемы основаны на использовании температурной зависимости напряжения эмиттер-база биполярного транзистора ^ [2, 3]. Ставится задача разработать источник опорного напряжения на 1.25 В.
Реализация задачи.
Этап 1. Источники опорного напряжения на основе полупроводниковых приборов. В полупроводниковой электронике для получения стабильного напряжения чаще всего используют обратную ветвь вольтамперной характеристики р-п перехода с зене-ровским пробоем. Зенеровский пробой происходит при напряжениях примерно от 5 до 10 В. Для получения хороших метрологических характеристик требуется ток через переход не менее нескольких десятых мА. Получаемое таким путем напряжение имеет положительный температурные коэффициент, зависящий от напряжения зенеровского пробоя данного перехода и тока через него. Для его компенсации в прецизионных зенеровских стабилитронах
последовательно с зенеровским включают пря-мосмещенные диоды, обладающие отрицательным температурным коэффициентом - прием, когда для повышения стабильности переход формируется под поверхностью полупроводникового кристалла и отделен от нее защитным диффузионным слоем. Такой прием позволяет снизить влияние механических напряжений, загрязнений и нарушений кристаллической решетки, которые сильнее всего проявляются на поверхности [4].
Поскольку параметры КМОП приборов зависят от температуры, то единственным способом снизить ее, является комбинация приборов с разными по знаку коэффициентами температурной зависимости. Принцип работы такого источника показан на рис. 1. В источнике использован так называемый PTAT генератор - источник напряжения пропорционального абсолютной температуре (Т) [5].
Сумин Андрей Михайлович - ВГТУ, канд. техн. наук, мл. науч. сотрудник, тел. 89507569338
Рис. 1. Функциональная схема источника опорного напряжения
Следует отметить, что все полупроводниковые ИОН обладают гистерезисом по температуре, т.е. при возвращении к первоначальной температуре после нагрева или охлаждения, величина опорного напряжения возвращается к прежней величине с некоторой погрешностью. Минимальное значение имеет порядок 20 ppm (MAX6225). К сожалению, чаще всего производитель не указывает эту величину. Чтобы избежать этой погрешности в калибраторе Fluke 734A ИОН всегда находится при постоянной температуре, и для термостатирования при перевозке предусмотрен аккумулятор, рассчитанный на 36 часов непрерывной работы.
Этап 2. Проектирование источника опорного напряжения в САПР Cadence. Другим стандартным путем получения опорных напряжений ниже уровней зенеровского пробоя является использование известных «bandgap» схем. Этот термин, не имеющий общепринятого русского эквивалента, можно перевести как «барьерный потенциал p-n перехода». Сформулированный принцип может быть реализован различными схемами. Использование высокоомных каскодных генераторов тока поз-
воляет снизить зависимость опорного напряжения от источника питания, рис. 2 [5].
Идентичность транзисторов М5-М7 и М8-М10 обеспечивает равенство токов всех трех ветвей схемы. Одинаковые истоковые повторители М1 и М2 задают равные потенциалы на истоках. Рассмотрим участок цепи, обозначенный пунктирной линией. Из условия равенства токов II = 12 следует:
•1ф = nJQ2, (1)
где п - отношение коллекторных токов биполярных транзисторов JQ1 и JQ2. Для транзистора в активной области имеем экспоненциальное соотношение между током коллектора и напряжения база-эмиттер:
IC = IT0 • exp|
IVT
(2)
где Vт=kT/q ~ 0.026эВ - температурный потенциал р-п-перехода, при нормальной температуре, a ITo сильно зависит от температуры:
•E G
I™ =ст3
• exp
к • T
(3)
где Е00 - энергетическая ширина запрещенной зоны при абсолютном нуле (0 К), полученная линейной экстраполяцией от комнатной температуры (300 К) к абсолютному нулю, EG0 = 1,205 В = 1205 мВ.
Из уравнений (1) и (2) следует:
V JQ2 = n=exp((VEB1-VEB2)/Vt) . (4)
Из (4) следует:
(Veb1-Veb2)/R = Vtln(n)/R, (5)
Напряжение на выходе схемы определяется:
Vref =Veb3+IxR =VEB3+(kT/q)xln(x) . (6)
Дифференцируя (6) по температуре, имеем:
5VREF/5T=5VEB3/9T+(k/q)Lln(K), (7) где 5VEB3/5T=-2.2 мВ/°С, k/q=+0.085 мВ/°С при комнатной температуре.
Выбирая значения параметров n и х можно добиться 3Vref/9T=0, что эквивалентно VREF=1.22-1.26 В, что соответствует напряжению ширины запрещенной зоны.
Этап 3. Моделирование схемы источника опорного напряжения в САПР Cadence. Моделирование схемы будем производить в приложении
Virtuoso Analog Design Environment, входящего в состав САПР Cadence, и использовать библиотеки учебного технологического процесса 180 нм. На рис. 3 представлена схема источника опорного напряжения для моделирования в САПР Cadence. На рис. 4, 5 и в табл.1 представлены результаты моделирования при временном анализе и в диапазоне температур от -60 °С до 125 °С.
Рис. 3. Схема источника опорного напряжения bandgap в САПР Cadence
_i_L
41
Рис. 4. Выходное опорное напряжение при временном анализе
\
\
Ч
Рис. 5. Выходное опорное напряжение в диапазоне температур от -60 оС до 125 оС
Таблица 1
Параметры источника опорного напряжения
Параметры высоковольтного Техническое Минимальные Типовые Максимальные
стабилизатора напряжения обозначение значения значения значения
Напряжение питания, В VDDA 2.7 3.3 5
Время установления опорного напряжения, не t 20 20 20
Рабочий интервал температур, °С Т -60 27 125
Температурный коэффициент напряжения, [В/°С] ТКН 0,004 0,009 0,002
Этап 4. Топологическое проектирование источника опорного напряжения. Физическое проектирование также называют топологическим. Результатом физического проектирования является информация для формирования фотошаблонов. Топологическое проектирование источника опорного напряжения
осуществлялось в среде Cadence по технологии XC180 нм. В табл. 2 представлены основные параметры для топологического проектирования для данной технологии [б]. Готовая топология источника опорного напряжения представлена на рис. б.
Таблица 2
Проектные нормы 180нм технологии
Наименование нм
Минимальное расстояние между слоями DIFF 240
Минимальное расстояние между DIFF и NIMP (PIMP) 0.4
Минимальная ширина поликремния POLY 1 200
Минимальное расстояние между POLYO и DIFF (POLYO вне DIFF) 250
Минимальное расстояние между краями POLYO и DIFF (POLYO в DIFF) 280
Минимальное расстояние между металлами МЕТ1 300
Минимальная ширина металла МЕТ1 150
Минимальное расстояние между контактами CONT 170
Минимальное расстояние от контакта CONT до края металла МЕТ 10
Минимальное расстояние от контакта CONT до края POLYO 50
Минимальное расстояние от диффузии DIFF до кармана NWELL 300
Минимальный выступ POLYO за DIFF 280
Минимальное расстояние между POLYO 240
Минимальное расстояние от диффузии DIFF до края ячейки 150
1 д
Рис. 6. Топология источника опорного напряжения 1- контактные площадки для питания; 2- контактные площадки для земли; 3 - контактная площадка управления включением ИОН; 4 - выход ИОН; 5 - ИОН.
После этого проводится операция проверки полученных топологии по нормам и правилам технологии gpdk090. Эта операция называется DRC. После проведения операции DRC необходимо исправить все имеющиеся ошибки. Далее производится операция Ex-
tract. Экстракция - это извлечение из топологии текстового описания всех элементов топологии и соединений между ними (netlist). В меню Verify необходимо запустить команду Extract для получения экстрак-тированной из топологии схемы. Одновременно об-
разуется netlist.
Верификация - это сравнение полученной топологии с электрической схемой. Это процесс сравнения нетлиста экстрактированного из топологии и нетлиста электрической схемы. Для этого необходимо запустить команду LVS. После запуска LVS нужно исправить все обнаруженные ошибки. Если ошибок нет, то топологию можно считать законченной. Размеры полученной топологии - 150 х 242.1 мкм. При дальнейшей операции создается файл analog extracted. В нем хранится вся информация об элементах топологической схемы. Он необходим для моделирования топологии.
Этап 5. Характеризация источника опорного напряжения. Для дальнейшего моделирования экс-трактированной схемы, необходимо осуществить
Выводы. Источники опорного напряжения является важным элементом при построении, как стабилизаторов напряжения, так и ЦАП, АЦП, где требуется стабильное опорное напряжение не зависящее от напряжения питания и температуры.
В основе ИОН с напряжением запрещенной зоны (bandgap) лежит идея генерации напряжения с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отрицательному температурному коэффициенту напряжения UBE.
При проектировании источника опорного напряжения в САПР Cadence были выбраны параметры каналов (длина L и ширина W) КМОП-транзисторов и других элементов схемы. В результате получили источник опорного напряжения с высокой стабильностью по входному напряжению и со слабой зависимостью от температуры.
Воронежский государственный технический университет
процедуру создания файла (config), с помощью которого будет связана схема для измерений различных параметров и экстрактированная схема.
Требовалось провести моделирование для трех моделей (Ш, ^га, тер), напряжений источника питания (3.5, 5, 5.5 В) и трех различных температур промышленного диапазона (-60, 27, 125 °С). Типовые значения:
- напряжения источника питания - 3,3 В;
- температура - 27 °С;
- модель элементов - 1т.
- температурный коэффициент напряжения: 0.002 В/0С
Полученные параметры источника опорного напряжения представлены в табл. 3.
Таблица 3
Литература
1. Widlar R.J., New developments in IC voltage regulators. IEEE International Solid-State Conference, 1970, Session FAM 13.3.
2. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. Пер. с англ.-4-е изд. перераб. и доп.-М.: Мир, 1993.-413 с, ил.
3. Schweber B. Investments in voltage references pays big system dividends. Electronic Design News, 1998, April, p.23.
4. Kester W. Linear design seminar, Analog Devices Inc., 1995, Chapter S.
5. Ракитин В. В. Интегральные схемы на комплементарных МОП-транзисторах: Учебное пособие. - М.: МФТИ, 2007. - 308 с.
6. Рабаи Ж.М. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования: пер. с англ. Б. Уилкинсон. / Ж.М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. - 2-е изд.: пер. с англ. - М.: ООО «ИД Вильямс», 2007. - 894 c.
Параметры источника опорного напряжения
Параметры источника опорного напряжения Обозначение Минимальные значения Типовые значения Максимальные значения
Напряжение питания, В VDDA 3.5 5 5.5
Ток потребления, мкА I 10 15 50
Время установления опорного напряжения, нс t 22 22 22
Рабочий интервал температур, °С Т -б0 27 125
Температурный коэффициент напряжения, [В/°С] ТКН 0,004 0,009 0,002
THE VOLTAGE REFERENCE NANOMETER TECHNOLOGY DESIGN A.M. Sumin
The developed a circuit diagram and topology voltage reference technology 180 nm
Key words: reference voltage, semiconductor, nanometer basis, Zener breakdown, CAD, topology
