Чувствительность КМОП-источника опорного напряжения к вариациям параметров элементов

Аннотация

Е.Н. Бормонтов, Е.В. Сухотерин, Д.В. Колесников, Е.В. Невежин

Дата поступления статьи: 14.02.2014

В статье  описано получение  чувствительности выходного напряжения для типичной архитектуры ИОН к вариациям параметров элементов. Рассмотрены основные преимущества использования этого подхода при анализе и проектировании схемы.  Приведены соответствующие графики чувствительностей. На основе полученных данных сделаны выводы о влиянии отклонений элементов схемы на выходные параметры источника опорного напряжения.

Ключевые слова: чувствительность, источник опорного напряжения, напряжение смещения, групповые отклонения

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

 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 (Q1-Q5), резисторы (R1, R2), МОП-транзисторы (М1-M3) и операционный усилитель А1.

Рис. 1. Структура источника опорного напряжения.

Будем полагать, что площади эмиттеров биполярных транзисторов связаны соотношениями AQ1=AQ2=AQ5=AQ3/m=AQ4/m. Считаем, что токи стоков транзисторов M1-M3 допускают следующее представление: IM1=Id·k1; IM2=Id·k2; IM3=Id·k3; где коэффициенты k1, k2, k3 характеризуют отклонения тока от некоторого номинального значения Id. Если получить выражения для тока стока транзистора M2 и напряжения база-эмиттер Q5, появится возможность для определения выходного напряжения источника.
Для контура, включающего входы операционного усилителя A1, резистор R1 и биполярные транзисторы Q1, Q2, Q3, Q4, справедливо соотношение
,

где Uсм – напряжение смещения операционного усилителя.
С другой стороны, очевидно,
.
Тогда для тока стока транзистора M2 можно получить

Через ток IM3, учитывая заданную выше  его связь с током IM2, напряжение база-эмиттер биполярного транзистора Q5 можно выразить следующим образом:

В этих условиях выходное напряжение приобретает следующий вид:

где Vt=k·T/q– тепловой потенциал.
Выражение (3) дает следующие полуотносительные чувствительности выходного напряжения ИОН к номиналам резисторов R1, R2 и коэффициентам ki:

Чувствительности выходного напряжения ИОН к коэффициентам k1, k2, k3 характеризуют влияние отклонения токов транзисторов M1, M2, M3 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:

С другой стороны, выходное напряжение можно выразить через напряжения база-эмиттер биполярных транзисторов:

откуда можно получить полуотносительные чувствительности выходного напряжения ИОН к напряжению база-эмиттер биполярных транзисторов:

Суммы полуотносительных чувствительностей по компонентам
,

дают возможность оценить их влияние при групповых отклонениях технологического процесса [11].
На рис. 2, 3 приведены температурные зависимости  чувствительности выходного напряжения к резисторам R1, R2 и коэффициентам ki. Рис. 4 отображает зависимость его абсолютной чувствительности к напряжению смещения операционного усилителя от величины m (рис.4).

Рис. 2. Полуотносительные чувствительности выходного напряжения ИОН к резисторам  в диапазоне температур.

Рис. 3. Температурная зависимость полуотносительных чувствительностей выходного напряжения ИОН к коэффициентам k1, k2, k3 в диапазоне температур.

Рис. 4. Абсолютная чувствительность выходного напряжения ИОН к напряжению смещения в зависимости от m.

В табл. 1 указаны значения поэлементных чувствительностей рассматриваемой структуры ИОН, рассчитанные в условиях m=8, k1=k2=k3=1 при 27°С.
Таблица 1
Значения чувствительностей выходного напряжения ИОН

	-0.453В
	0.428 В
	0.218 В
	-0,671 В
	0,453 В
	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, 583c.
3. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование // Перевод с анлийского под редакцией Е.Б. Володина, M: «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. 547-552.
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.