Een nanoschaal low-power weerstandloze spanningsreferentie met hoge PSRR

Methode

Zoals weergegeven in Fig. 1 bestaat de voorgestelde spanningsreferentie uit een opstartcircuit, een zelfvoorzienende stroomgenerator en een V _REF genererende schakeling. Alle n-kanaal MOSFET's zijn een N-type metaaloxide-halfgeleider met gemiddelde drempelspanning (mvt NMOS). MP4 is een P-type metaaloxide-halfgeleider met hoge drempelspanning (hvt PMOS), en de andere p-kanaal MOSFET's zijn een PMOS met gemiddelde drempelspanning (mvt PMOS). Alle transistoren die worden getoond in Fig. 1 werken in het subdrempelgebied, behalve die in het opstartcircuit.

Schema van voorgestelde spanningsreferentie

Opstartcircuit

Het opstartcircuit bestaat uit MP5, MP6 en MN4. Aan het begin van een opstartfase is het poortpotentieel van MP6 laag en is MP6 ingeschakeld. De stroom die door MP6 wordt gegenereerd, zorgt ervoor dat de poortpotentiaal van MN1 en MN2 stijgt en het hele circuit begint te werken. Tegelijkertijd laadt MP5 de opstartcondensator MN4 op. Met de oplaadprocedure van MN4 wordt transistor MP6 geleidelijk uitgeschakeld, waardoor het opstartcircuit kan worden afgebroken van de kern van de voorgestelde spanningsreferentie zonder extra vermogensdissipatie. Door deze methode kan de voorgestelde spanningsreferentie werken in een gewenst werkpunt terwijl een degeneratiepunt wordt vermeden.

Zelfgestuurde stroomgenerator

Het middelste deel in figuur 1 is een zelfvooringenomen stroomgenerator, die is gebaseerd op een MOSFET-spanningsdeler. De biasstroom met positieve TC voor de hele spanningsreferentie wordt in dit deel gegenereerd, wat relevant is voor de middendrempelspanning van NMOS. Het unieke kenmerk van de gepresenteerde biasstroom wordt gebruikt om de voorgestelde spanningsreferentie op een gemakkelijke manier te realiseren, die zal worden geanalyseerd in het gedeelte "Methode".

Met betrekking tot de spanningsstroomkarakteristiek van een transistor in het subdrempelgebied, wordt de afvoerstroom van de transistor in de subdrempel bijna onafhankelijk van V _DS met V _DS> 4V _T , waar V _T = kT/q is de thermische spanning, k is de Boltzmann-constante, q is de elementaire lading, en T is de absolute temperatuur. Daarom kan de stroom worden uitgedrukt als:

waar S = W/L is de beeldverhouding, m is de hellingsfactor onder de drempel, V _TH is de drempelspanning, en I _SQ vertegenwoordigt de specifieke stroom en wordt weergegeven door:

waar μ is de vervoerder mobiliteit en C _OX is de oxidecapaciteit per oppervlakte-eenheid.

Daarom kunnen de stromen door de MOSFET-spanningsdeler, gevormd door MN1, MN2 en MN3, als volgt worden uitgedrukt:

waar ik _SQN is de specifieke stroom van NMOS en V _THN is de drempelspanning van NMOS.

Aangezien de beeldverhoudingen van MN2 en MN3 hetzelfde zijn en I _{D_MN2} = Ik _{D_MN3} , V _{GS_MN2} = V _{GS_MN3} is gegarandeerd. Dit maakt V _{GS_MN1} = 2V _{GS_MN2} . Bovendien vormen de PMOS-transistoren de stroomspiegels en bepalen ze de stroomverhoudingen K ₁ = S _MP1 /S _MP2 en K ₂ = S _MP3 /S _MP2 . De relatie van afvoerstromen tussen MN1 en MN2 kan worden uitgedrukt als:

Gecombineerd met eq. (3)–(6), de V _{GS_MN2} en ik _{D_MN2} kan worden gegeven door:

Voor het gemak van analyse, Vgl. (8) kan worden afgekort als:

waar a = S _MN2 μ _{n 0} C _OX (m − 1)(k/q ) ² en b = ln(K ₁ S _MN2 /S _MN1 ) zijn onafhankelijk van de temperatuur, μ _{n 0} is een temperatuuronafhankelijke factor van vervoerdermobiliteit, en n ₁ is de absolute temperatuurexponentterm van vervoerdermobiliteit, die meestal rond de 1,5 ligt.

Zoals getoond in Vgl. (9), drempelspanning V _THN is complementair aan de absolute temperatuur (CTAT), terwijl thermische spanning V _T is evenredig met de absolute temperatuur (PTAT). Naarmate de temperatuur stijgt, V _THN /(mV _T ) zal verminderen, zodat de positieve stroomkarakteristieken van de biasstroom worden verbeterd.

Door deze methode wordt een positieve TC-voorspanningsstroom bereikt door een MOSFET-only structuur, die de kenmerken van NMOS-drempelspanning draagt.

V _REF Circuit genereren

De V _REF het genererende circuit wordt getoond in het rechter deel van Fig. 1, dat alleen wordt gevormd door twee transistors, MP3 en MP4. Vanwege de regiobewerking onder de drempel, I _{D_MP4} kan worden geschreven als:

waar ik _SQP is de specifieke stroom van PMOS en V _THP is de V _TH van PMOS.

Sinds ik _{D_MP4} = K ₂ Ik _{D_MN2} , de kenmerken van NMOS-drempelspanning, V _THN , kan worden overgedragen naar het uitgangsknooppunt en worden gesuperponeerd met de kenmerken van PMOS-drempelspanning, V _THP . Van eq. (8) en (10), V _REF kan worden geschreven als:

Zoals blijkt uit de eerste twee items van Vgl. (11), wordt een deltadrempelspanning gerealiseerd. Sinds V _TH = V _TH0 − βT , waar V _TH0 is de drempelspanning bij 0 K en β is de TC van de drempelspanning, de gegenereerde delta-drempelspanning is een aanvulling op de absolute temperatuur (CTAT) spanning met sterk gekrompen TC met |βV _THP |> βV _THN . Bovendien worden tegelijkertijd twee extra PTAT-spanningen gerealiseerd en weergegeven in de laatste twee items van Vgl. (11), die zijn aangenomen om de verlaagde TC van de delta-drempelspanning te annuleren. Daarom wordt een gecompacteerde temperatuurstabiele referentiespanning bereikt zonder een gecompliceerde structuur, die stabiel is op |V _THP0 | − V _THN0 .

Op basis van de vorige analyse wordt in dit artikel een spanningsreferentie met alleen MOSFET met laag vermogen gerealiseerd, waarvoor slechts drie takken in de kern nodig zijn. Met de unieke kenmerken van een zelfvooringenomen stroombron, wordt één diode-verbonden PMOS gebruikt om tegelijkertijd een CTAT-spanning te bereiken met gekrompen TC, PTAT-spanningsgenerator en gewogen sommatie. Bovendien is de voorgestelde structuur alleen geconstrueerd door MOSFET's en is de gegenereerde referentiespanning evenredig met de delta-drempelspanning. Daarom is de voorgestelde spanningsreferentie meer geschikt voor toepassingen met een laag stroomverbruik met technologie op nanoschaal, die verder kan worden uitgebreid tot meer geavanceerde technologieën.

PSRR van voorgestelde spanningsreferentie

Om de PSRR-prestaties te illustreren, zijn de paden van voedingsspanningsruis naar V _REF en overeenkomstige equivalente functiediagrammen worden getoond in Fig. 2.

De paden van voedingsspanningsruis

Op basis van Fig. 2 wordt het kleinsignaalmodel van pad 3 getoond in Fig. 3 en kan de volgende vergelijking worden verkregen:

Klein signaalmodel van pad 3

Van verg. (12), de uitdrukking van de toevoerruis via pad 3 naar knooppunt A kan worden gegeven door:

$$ {Av}_{\mathrm{path}3}=\frac{v_{\mathrm{A}}}{v_{\mathrm{dd}}}=\frac{r_{\mathrm{ds},\ mathrm{MN}1}+{g}_{\mathrm{m},\mathrm{MP}1}{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}1}{r}_{\mathrm {ds},\mathrm{MP}1}}{r_{\mathrm{ds},\mathrm{MP}1}+{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}1}+{g }_{\mathrm{m},\mathrm{MN}1}{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}1}{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MP} 1}} $$ (13)

De transconductantie van de transistor die in het subdrempelgebied werkt, is g _m = Ik _D /mV _T . Daarom is de relatie tussen g _m,MP1 en g _m,MN1 met dezelfde stroom kan worden gegeven als g _m,MP1 = g _m,MN1 . Dan, vgl. (13) kan worden vereenvoudigd als:

$$ {Av}_{\mathrm{path}3}\circa 1 $$ (14)

Knooppunt B heeft ook een effect op knooppunt A via pad 1, maar het effect is tegengesteld aan pad 3, wat kan worden uitgedrukt als:

$$ {Av}_{\mathrm{path}1}\circa -1 $$ (15)

Voor V _A = 2V _GS,MN2 , wordt de versterking van pad 2 gegeven als:

$$ {Av}_{\mathrm{path}2}=-\frac{1}{2}{g}_{\mathrm{m},\mathrm{MN}2}\left(2{r}_ {\mathrm{ds},\mathrm{MN}2}\Big\Vert \frac{1}{g_{\mathrm{m},\mathrm{MP}2}}\right)\circa -\frac{1 }{2} $$ (16)

Het effect van v _dd op knooppunt B via pad 4 kan worden geschreven als:

$$ {Av}_{\mathrm{path}4}=\frac{2{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}2}}{\left(1/{g}_{\ mathrm{m},\mathrm{MP}2}\right)+2{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}2}}=\frac{2{g}_{\mathrm{m },\mathrm{MP}2}{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}2}}{1+2{g}_{\mathrm{m},\mathrm{MP}2} {r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}2}} $$ (17)

Van knooppunt A naar knooppunt B in Fig. 2 kunnen twee extra vergelijkingen worden verkregen, namelijk:

$$ {Av}_{\mathrm{pad}4}{v}_{\mathrm{dd}}+{Av}_{\mathrm{pad}2}{V}_{\mathrm{A}}={V}_{\mathrm{B}} $$ (18) $$ {Av}_{\mathrm{path}3}{v}_{\mathrm{dd}}+{Av}_{\mathrm{ path}1}{V}_{\mathrm{B}}={V}_{\mathrm{A}} $$ (19)

Volgens vergelijkingen (18) en (19) is de ruis bij V _B kan worden gegeven door:

$$ {V}_{\mathrm{B}}=\frac{2{g}_{\mathrm{m},\mathrm{MP}2}{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{ MN}2}-1}{1+2{g}_{\mathrm{m},\mathrm{MP}2}{r}_{\mathrm{ds},\mathrm{MN}2}}{v }_{\mathrm{dd}}\ongeveer {v}_{\mathrm{dd}} $$ (20)

Met behulp van de voorgestelde zelfvooringenomen stroombron kan het uitgangsknooppunt van het stroomgeneratordeel, B, de kleine signaalvariatie van de voedingsspanning volgen, wat gunstig is voor de PSRR-verbetering van de gehele spanningsreferentie.

Met een vergelijkbare methode kunnen de toevoerruisversterkingen van pad 5 en pad 6 worden weergegeven door Vgl. (21) en (22) respectievelijk:

$$ {Av}_{\mathrm{path}5}={g}_{\mathrm{m},\mathrm{MP}3}\left({r}_{\mathrm{ds},\mathrm{ MP}3}\Big\Vert \frac{1}{g_{\mathrm{m},\mathrm{MP}4}}\right) $$ (21) $$ {Av}_{\mathrm{path} 6}\ongeveer 1 $$ (22)

Rekening houdend met de ruispadverbindingsrelatie van de referentiegenerator getoond in Fig. 2, is het effect van de voedingsruis bij de referentiespanning, V _REF , kan worden bepaald door pad 5 en pad 6:

$$ {v}_{\mathrm{REF}}={Av}_{\mathrm{pad}5}{V}_{\mathrm{B}}+{Av}_{\mathrm{pad}6} {v}_{\mathrm{dd}}=\frac{1}{1+{g}_{\mathrm{m},\mathrm{MP}4}{r}_{\mathrm{ds},\ mathrm{MP}3}}{v}_{\mathrm{dd}}=\frac{1}{1+\frac{\exp \left({V}_{\mathrm{DS},\mathrm{MP }3}/{V}_{\mathrm{T}}\right)-1}{m}}{v}_{\mathrm{dd}} $$ (23)

Voor V _DS> 4V _T , de exponentiële term in Vgl. (23) is erg groot. Dit zorgt ervoor dat de PSRR-prestaties aanzienlijk worden verbeterd met V _DS,MP3 toenemend. In het voorgestelde ontwerp is de minimale V _DS,MP3 is meer dan 200 mV, wat betekent dat de verandering in de voedingsspanning weinig effect heeft op de V _REF . De voorgestelde structuur heeft dus goede PSRR-prestaties.

Resultaten en discussie

De spanningsreferentie is geïmplementeerd in een CMOS-proces van 65 nm, waarvan de lay-out wordt weergegeven in Afb. 4 en een 0,00182-mm ² inneemt. actief gebied.

Lay-out van voorgestelde schakeling

Afbeelding 5 toont de lijnregeling van de voorgestelde spanningsreferentie bij 27 °C. Zoals weergegeven in Fig. 5, kan de minimale voedingsspanning zo laag zijn als 350 mV, en de gegenereerde referentiespanning, V _REF , is ongeveer 148 mV. De lijngevoeligheid (LS) is 1,8 mV/V.

Golfvorm van V _REF versus voedingsspanning

De temperatuurprestaties van V _REF met 350 mV voedingsspanning wordt getoond in Fig. 6. De TC van V _REF is 28 ppm/°C van -30 tot 80 °C. V _REF toont positieve temperatuurkenmerken onder -15 °C en boven 25 °C, terwijl negatieve temperatuurkenmerken bij gemiddelde temperatuurregio.

Temperatuurafhankelijkheid van V _REF

Afbeelding 7 toont het stroomverbruik versus de temperatuur met een voedingsspanning van 350 mV. De stroom toont een positieve TC. Het stroomverbruik bij kamertemperatuur is ongeveer 2,28 nW.

Stroomverbruik versus temperatuur

Afbeelding 8 toont het resultaat van PSRR bij 27 °C met 350 mV voedingsspanning, waarbij de PSRR zonder enige uitgangsfiltercondensator meer dan 53 dB tot 100 Hz is. Zoals hierboven vermeld, kunnen de PSRR-prestaties verder worden verbeterd met een verhoging van de voedingsspanning, wat betekent dat de PSRR die wordt weergegeven in Afb. 8 het slechtste geval is van de voorgestelde spanningsreferentie.

PSRR van voorgestelde spanningsreferentie

De verdelingen van niet getrimde V _REF bij 27 °C met 100 monsters wordt getoond in Fig. 9. De gemiddelde waarde en standaarddeviatie van de V _REF is respectievelijk 147 mV en 3,97  mV, wat resulteert in een spreiding (σ/μ) van 2,7%.

Distributies van niet getrimde V _REF

Tabel 1 geeft een samenvatting van de kenmerken van de voorgestelde spanningsreferentie en vergelijkt deze met enkele eerder gerapporteerde spanningsreferenties.

Conclusie

In dit document wordt een weerstandsloze spanningsreferentie voor laag vermogen met hoge PSRR gepresenteerd, die geschikt is voor toepassingen op nanoschaal en kan worden uitgebreid tot meer geavanceerde processen. Met behulp van een zelfvooringenomen stroombron op basis van MOSFET-spanningsdeler kunnen de vereiste CTAT-spanning, PTAT-spanning en gewogen sommatie tegelijkertijd worden gerealiseerd in een compacte structuur. Bovendien wordt als CTAT-spanning een delta-drempelspanning gekozen, die een sterk verminderde negatieve TC heeft. Hierdoor wordt ook de vereiste waarde van de PTAT-spanning verkleind. Daarom kunnen de voedingsspanning en het stroomverbruik worden verlaagd. Alle onderdelen zijn alleen geconstrueerd door MOSFET's, wat prioriteit heeft in energiegevoelige, sterk geïntegreerde toepassingen, zoals SOC.

Afkortingen

BGR:

Bandgap referentie

CTAT:

Complementair aan absolute temperatuur

hvt:

Hoge drempelspanning

LS:

Lijngevoeligheid

mvt:

Middendrempelspanning

PSRR:

Onderdrukkingsratio van de voeding

PTAT:

Evenredig met absolute temperatuur

TC:

Temperatuurcoëfficiënt