Referensi Tegangan Tanpa Resistor Daya Rendah Skala Nano dengan PSRR Tinggi

Pengantar

Referensi tegangan adalah salah satu modul inti dalam sistem elektronik, yang banyak digunakan dalam elektronik medis, manajemen daya, sensor lingkungan nirkabel, dan sirkuit komunikasi. Karena tegangan suplai sistem elektronik terus menurun dengan peningkatan teknologi, persyaratan untuk referensi tegangan daya rendah dengan teknologi skala nano meningkat secara kritis [1, 2].

Referensi tegangan konvensional didasarkan pada sirkuit referensi celah pita (BGR), yang merupakan jumlah bobot V _JADI dan tegangan termal [3, 4]. Namun, karena perilaku suhu nonlinier V _JADI , penting untuk menggunakan pendekatan kompensasi kelengkungan untuk meningkatkan presisi BGR [5, 6]. Kerugian lain dari BGR adalah konsumsi daya. V _JADI sekitar 0,7 V tanpa menyusut dengan peningkatan proses, yang benar-benar membatasi tegangan suplai. Ini membuat BGR tidak cocok untuk aplikasi tegangan rendah dan skala nano.

Untuk mencapai operasi daya rendah, referensi tegangan subambang khusus MOS diadopsi secara bertahap [7,8,9,10]. Karena transistor di daerah inversi lemah memiliki keunggulan yang melekat pada aplikasi daya rendah dengan arus yang cukup kecil, konsumsi daya referensi tegangan relatif dapat dikurangi secara efektif. Selain itu, karena karakteristik transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET) konsisten dengan peningkatan proses, referensi tegangan berdasarkan MOSFET lebih dapat disesuaikan dengan teknologi canggih. Selain itu, penggunaan resistor juga harus dihindari dalam aplikasi berdaya rendah. Karena arus dalam referensi tegangan biasanya berbanding terbalik dengan nilai resistansi, disipasi daya rendah berarti resistor ohmik tinggi [10], yang dapat menyebabkan noise besar yang menempati area chip yang besar.

Rasio penolakan catu daya (PSRR) adalah parameter penting lainnya dari referensi tegangan. Solusi konvensional untuk meningkatkan PSRR adalah dengan mengorbankan area chip dan konsumsi daya, seperti amplifier tambahan [11], transistor saluran panjang [12], struktur cascode, dan tahap penguatan tambahan [13].

Untuk mengatasi masalah yang disebutkan di atas, referensi tegangan subthreshold tanpa resistor berbasis MOSFET nano-watt dengan PSRR tinggi diusulkan dalam ringkasan ini, yang cocok untuk teknologi canggih, seperti proses skala nano. Pembagi tegangan MOSFET self-bias untuk peningkatan PSRR diadopsi dalam referensi tegangan yang diusulkan, yang dapat menghasilkan arus koefisien suhu (TC) positif yang mengandung karakteristik tegangan ambang. Arus berfungsi sebagai arus bias untuk seluruh tegangan referensi. Selain itu, tegangan ambang yang tertanam dalam arus bias direproduksi dengan menyuntikkan arus bias ke MOSFET dengan tegangan ambang yang berbeda di kertas. Dengan metode yang diusulkan, tegangan ambang delta (∆V _TH ) dengan TC negatif yang sangat berkurang diperoleh. Selain itu, item tertimbang proporsional terhadap suhu mutlak (PTAT) juga diperoleh, sementara jumlah bobot ∆V _TH dan tegangan PTAT direalisasikan pada saat yang bersamaan. Karena pembatalan TC timbal balik dari dua tegangan ambang yang berbeda, tegangan PTAT yang diperlukan dapat sangat dikurangi untuk kompensasi suhu. Dengan metode ini, referensi tegangan tanpa resistor khusus MOSFET dicapai dengan struktur yang dipadatkan dengan konsumsi daya yang rendah.

Metode

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, referensi tegangan yang diusulkan terdiri dari rangkaian start-up, generator arus bias sendiri, dan V _REF sirkuit pembangkit. Semua n-channel MOSFET adalah tegangan ambang menengah-jenis logam-oksida-semikonduktor (mvt NMOS). MP4 adalah transistor tegangan ambang tinggi tipe-P logam-oksida-semikonduktor (hvt PMOS), dan MOSFET saluran-p lainnya adalah PMOS tegangan ambang menengah (mvt PMOS). Semua transistor yang ditunjukkan pada Gbr. 1 beroperasi di wilayah subthreshold, kecuali transistor di sirkuit start-up.

Skema referensi tegangan yang diusulkan

Sirkuit Pembuka

Rangkaian start-up terdiri dari MP5, MP6, dan MN4. Pada awal tahap penyalaan, potensi gerbang MP6 rendah dan MP6 dihidupkan. Arus yang dihasilkan oleh MP6 membuat potensi gerbang MN1 dan MN2 naik, dan seluruh rangkaian mulai bekerja. Pada saat yang sama, MP5 mengisi kapasitor start-up, MN4. Dengan prosedur pengisian MN4, transistor MP6 dimatikan secara bertahap, yang membuat rangkaian start-up terputus dari inti referensi tegangan yang diusulkan tanpa disipasi daya tambahan. Dengan metode ini, referensi tegangan yang diusulkan dapat bekerja di titik operasi yang diinginkan sambil menghindari titik degenerasi.

Generator Arus Bias Mandiri

Bagian tengah pada Gambar 1 adalah generator arus bias sendiri, yang didasarkan pada pembagi tegangan khusus MOSFET. Arus bias dengan TC positif untuk seluruh referensi tegangan dihasilkan di bagian ini, yang relevan dengan tegangan ambang menengah NMOS. Karakteristik unik dari arus bias yang disajikan diadopsi untuk mewujudkan referensi tegangan yang diusulkan dengan cara yang nyaman, yang akan dianalisis di bagian "Metode".

Berkenaan dengan karakteristik arus tegangan transistor di daerah subthreshold, arus drain transistor di subthreshold menjadi hampir tidak tergantung pada V _DS dengan V _DS> 4V _B , di mana V _B = kT/q adalah tegangan termal, k adalah konstanta Boltzmann, q adalah muatan dasar, dan T adalah suhu mutlak. Oleh karena itu, arus dapat dinyatakan sebagai:

dimana S = W/L adalah rasio aspek, m adalah faktor kemiringan subthreshold, V _TH adalah tegangan ambang, dan I _SQ mewakili arus spesifik dan disajikan oleh:

dimana μ adalah mobilitas pembawa dan C _OX adalah kapasitansi oksida per satuan luas.

Oleh karena itu, arus melalui pembagi tegangan khusus MOSFET, yang dibentuk oleh MN1, MN2, dan MN3, dapat dinyatakan sebagai berikut:

dimana Aku _SQN adalah arus spesifik NMOS dan V _THN adalah tegangan ambang NMOS.

Karena rasio aspek MN2 dan MN3 adalah sama dan I _{D_MN2} = Aku _{D_MN3} , V _{GS_MN2} = V _{GS_MN3} dijamin. Ini membuat V _{GS_MN1} = 2V _{GS_MN2} . Selain itu, transistor PMOS membentuk cermin arus dan menentukan rasio arus K ₁ = S _MP1 /S _MP2 dan K ₂ = S _MP3 /S _MP2 . Hubungan arus drain antara MN1 dan MN2 dapat dinyatakan sebagai:

Dikombinasikan dengan Persamaan. (3)–(6), V _{GS_MN2} dan Aku _{D_MN2} dapat diberikan oleh:

Untuk kemudahan analisis, Persamaan. (8) dapat disingkat menjadi:

dimana a = S _MN2 μ _{n 0} C _OX (m − 1)(k/q ) ² dan b = ln(K ₁ S _MN2 /S _MN1 ) tidak tergantung pada suhu, μ _{n 0} adalah faktor mobilitas pembawa yang tidak bergantung pada suhu, dan n ₁ adalah suku eksponen suhu absolut dari mobilitas pembawa, yang biasanya sekitar 1,5.

Seperti yang ditunjukkan pada Persamaan. (9), tegangan ambang V _THN komplementer dengan suhu absolut (CTAT), sedangkan tegangan termal V _B sebanding dengan suhu mutlak (PTAT). Saat suhu meningkat, V _THN /(mV _B ) akan berkurang, sehingga karakteristik arus positif dari arus bias akan ditingkatkan.

Dengan metode ini, arus bias TC positif dicapai oleh struktur khusus MOSFET, yang membawa karakteristik tegangan ambang NMOS.

V _REF Sirkuit Pembangkit

V _REF rangkaian pembangkit ditunjukkan di bagian kanan Gambar 1, yang hanya dibentuk oleh dua transistor, MP3 dan MP4. Karena operasi wilayah sub-ambang, I _{D_MP4} dapat ditulis sebagai:

dimana Aku _SQP adalah arus spesifik PMOS dan V _THP adalah V _TH dari PMOS.

Sejak Aku _{D_MP4} = K ₂ Aku _{D_MN2} , karakteristik tegangan ambang NMOS, V _THN , dapat ditransfer ke simpul keluaran dan ditumpangkan dengan karakteristik tegangan ambang PMOS, V _THP . Dari Persamaan. (8) dan (10), V _REF dapat ditulis sebagai:

Seperti yang ditunjukkan dalam dua item pertama dari Persamaan. (11), tegangan ambang delta direalisasikan. Sejak V _TH = V _TH0 βT , di mana V _TH0 adalah tegangan ambang pada 0 K dan β adalah TC dari tegangan ambang, tegangan ambang delta yang dihasilkan merupakan pelengkap tegangan suhu absolut (CTAT) dengan TC yang sangat menyusut dengan |βV _THP |> βV _THN . Selain itu, dua tegangan PTAT tambahan secara bersamaan direalisasikan dan ditunjukkan dalam dua item terakhir dari Persamaan. (11), yang diadopsi untuk membatalkan TC tereduksi dari tegangan ambang delta. Oleh karena itu, tegangan referensi stabil suhu yang dipadatkan dicapai tanpa struktur yang rumit, yang stabil pada |V _THP0 | V _THN0 .

Berdasarkan analisis sebelumnya, referensi tegangan MOSFET daya rendah saja direalisasikan dalam makalah ini yang hanya membutuhkan tiga cabang di inti. Dengan karakteristik unik dari sumber arus bias sendiri, satu PMOS yang terhubung dioda diadopsi untuk mencapai tegangan CTAT dengan TC yang menyusut, generator tegangan PTAT, dan penjumlahan berbobot pada saat yang bersamaan. Terlebih lagi, struktur yang diusulkan hanya dibangun oleh MOSFET, dan tegangan referensi yang dihasilkan sebanding dengan tegangan ambang delta. Oleh karena itu, referensi tegangan yang diusulkan lebih cocok untuk aplikasi konsumsi daya rendah dengan teknologi skala nano, yang dapat diperluas lebih jauh ke teknologi yang lebih maju.

PSRR Referensi Tegangan yang Diusulkan

Untuk mengilustrasikan kinerja PSRR, jalur dari gangguan tegangan suplai ke V _REF dan diagram fungsi ekuivalen yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 2.

Jalur kebisingan tegangan suplai

Berdasarkan Gambar.2, model sinyal kecil dari jalur 3 ditunjukkan pada Gambar.3, dan persamaan berikut dapat diperoleh:

Model sinyal kecil dari jalur 3

Dari Persamaan. (12), ekspresi dari supply noise melalui jalur 3 ke node A dapat diberikan oleh:

Transkonduktansi transistor yang beroperasi di wilayah subthreshold adalah g _m = Aku _D /mV _B . Oleh karena itu, hubungan antara g _m,MP1 dan g _m,MN1 dengan arus yang sama dapat diberikan sebagai g _m,MP1 = g _m,MN1 . Kemudian, Persamaan. (13) dapat disederhanakan menjadi:

Node B juga memiliki efek pada node A melalui jalur 1, tetapi efeknya berlawanan dengan jalur 3, yang dapat dinyatakan sebagai:

Untuk V _A = 2V _GS,MN2 , gain jalur 2 diberikan sebagai:

Efek dari v _dd pada node B melalui jalur 4 dapat ditulis sebagai:

Dari simpul A ke simpul B pada Gambar 2, diperoleh dua persamaan tambahan, yaitu:

Menurut Persamaan (18) dan (19), kebisingan di V _B dapat diberikan oleh:

Dengan bantuan sumber arus bias sendiri yang diusulkan, simpul keluaran dari bagian generator arus, B, dapat melacak variasi sinyal kecil dari tegangan suplai, yang bermanfaat untuk peningkatan PSRR dari seluruh referensi tegangan.

Dengan metode yang sama, penguatan derau suplai dari jalur 5 dan jalur 6 dapat disajikan oleh Persamaan. (21) dan (22), masing-masing:

Mempertimbangkan hubungan koneksi jalur kebisingan dari generator referensi yang ditunjukkan pada Gambar. 2, efek dari gangguan suplai pada tegangan referensi, V _REF , dapat ditentukan dengan jalur 5 dan jalur 6:

Untuk V _DS> 4V _B , suku eksponensial dalam Persamaan. (23) sangat besar. Hal ini membuat kinerja PSRR menjadi sangat ditingkatkan dengan V _DS,MP3 meningkat. Dalam desain yang diusulkan, minimum V _DS,MP3 lebih dari 200 mV, yang berarti perubahan tegangan suplai memiliki sedikit pengaruh pada V _REF . Dengan demikian, struktur yang diusulkan memiliki kinerja PSRR yang baik.