TEMPERATURE-INDEPENDENT SOURCE OF REFERENCE VOLTAGE FOR INTEGRATED MICROCIRCUITS WITH LOW SUPPLY VOLTAGE
ТЕМПЕРАТУРНО-НЕЗАЛЕЖНЕ ДЖЕРЕЛО ОПОРНОЇ НАПРУГИ ІНТЕГРАЛЬНИХ МІКРОСХЕМ З НИЗЬКОЮ НАПРУГОЮ ЖІВЛЕННЯ
Сторінки: 126-134 . Номер: №5,т.2 2023 (327)
Автори:
Цимбал О.В., Корнєв В.П., Бондаренко В.М.
Національний технічний університет України «Київський Політехнічний Інститут імені Ігоря Сікорського»
OLEKSANDR TSYMBAL
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
olexandr.tsymbal97@gmail.com
VOLODYMYR KORNIEV
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
OrcID: https://orcid.org/0000-0001-7608-6726
v.kornev@kpi.ua
VIKTOR BONDARENKO,
National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1663-4799
SCOPUS ІD: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57197649980
vicnbondarenko@gmail.com
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2023-327-5-129-134
Анотація мовою оригіналу
Розглянуто принципи побудови джерел опорної напруги (ДОН) інтегральних мікросхем і шляхи досягнення їх температурної незалежності. Відмічена існуюча проблема реалізації якісного джерела напруги для сучасних мікросхем, що працюють з напругою живлення нижче 1 В, попит на які останнім часом стрімко зростає. Проаналізовано типову схему джерела опорної напруги, температурна незалежність якого базується на сукупному ефекті застосування вузлів з протилежною температурною залежністю. Розглянуто переваги і недоліки існуючих архітектурних рішень джерел опорної напруги. Показано, що причиною нестабільності і нелінійності вихідної опорної напруги при низьких значеннях напруги живлення є те, що принцип дії цих ДОН базується на властивості p-n переходу напівпровідника, і залежить від його так званої ширини забороненої зони, яка для кремнію становить 1,25В. Температурну залежність одного «плеча» ДОН вдається компенсувати протилежною температурною залежністю другого «плеча». Але при низьких напругах становляться відчутними нелінійності вищих порядків, що негативно позначається на якості результуючої вихідної напруги. Запропоновано інше архітектурне рішення побудови джерела опорної напруги із застосуванням двох ДОН, реалізованих на паразитних p-n-p і n-p-n біполярних транзисторах, що присутні у будь-якій КМОП технології, з наступним відніманням сформованих струмів за допомогою струмових дзеркал. В результаті вдається отримати температурно-незалежний результуючий струм і вихідна опорна напруга, що виділяється на вихідному резисторі, буде мати низьку температурну залежність, обумовлену лише температурною залежністю опору вихідного резистора. Таким чином вдається отримати джерело опорної напруги з низькою температурною залежністю, здатне працювати при напрузі живлення рівній або нижче 1 В. Дане рішення має можливість реалізації в стандартній КМОП технології виготовлення інтегральних схем. Запропоновані шляхи подальшого удосконалення системи.
Ключові слова: Джерело опорної напруги, КМОП технологія, температурна залежність, температурний коефіцієнт.
Розширена анотація англійською мовою
The principles of developing reference voltage sources (RVS) of integrated microcircuits and ways of achieving their temperature independence are considered. The existing problem of implementing a high-quality voltage source for modern microcircuits operating with a supply voltage below 1 V, the demand for which is growing rapidly recently, is noted. A typical circuit of the reference voltage source, whose temperature independence is based on the cumulative effect of using units with opposite temperature dependence, has been analyzed. Advantages and disadvantages of existing architectural solutions of reference voltage sources are considered. It is shown that the reason for the instability and nonlinearity of the output reference voltage at low values of the supply voltage is that the principle of operation of these RVSs is based on the properties of the p-n junction of the semiconductor, and depends on its so-called band gap, which for silicon is 1.25V. The temperature dependence of one “shoulder” of the RVS can be compensated by the opposite temperature dependence of the second “shoulder”. But at low voltages, nonlinearities of higher orders become noticeable, which negatively affects the quality of the resulting output voltage. Another architectural solution for developing a reference voltage source using two RVSs implemented on parasitic p-n-p and n-p-n bipolar transistors, which are present in any CMOS technology, with subsequent subtraction of the generated currents using current mirrors, is proposed. As a result, it is possible to obtain a temperature-independent resulting current, and the output reference voltage released on the output resistor will have a low temperature dependence, due only to the temperature dependence of the resistance of the output resistor. In this way, it is possible to obtain a reference voltage source with low temperature dependence, capable of operating at a supply voltage equal to or below 1 V. This solution has the possibility of implementation in the standard CMOS technology of manufacturing integrated circuits. Ways for further improvement of the system are suggested.
Keywords: Reference voltage source, CMOS technology, temperature dependence, temperature coefficient
