LOW POWER, LOW AREA, HIGH PSR, CURRENT MODE BANDGAP VOLTAGE REFERENCE

Abstract

Voltage references are electronic blocks whose purpose is to generate an output voltage that remains largely unaffected by external conditions, such as load, power supply, and temperature changes. These are critical components in Integrated Circuits (IC) typical functional blocks, such as Analog to Digital Converters and Digital to Analog Converters, low-dropout regulators, filters, among other analog and mixed-signal devices. With the ever-increasing diversity of IC circuits, a voltage reference with robust behavior in a wide range of applications is desirable. In this work, a robust, wide supply range, low power, high PSR, low area current mode Bandgap Voltage Reference (BGR) using Finfet Technology is developed and simulated. Besides the BGR core a “half-cascode” Operational Amplifier (OPAMP) and a Schmitt trigger start-up circuit were also developed. To ensure a robust functioning of the circuit, all simulations performed involve process, voltage and temperature (PVT) corner analysis. Additionally, a trimming Verilog-A script is developed with the purpose of enhancing the properties of the developed BGR. The proposed BGR design enables to choose an output voltage from 450 mV to 550 mV, functions in a supply range from 1.05 to 1.8 V and consumes from 21.6 to 62.9 𝜇A depending on the considered PVT corner. Across corners, simulations results show that the Temperature Coefficient (TC) ranges from 14.3 to 111 (ppm/ºC), the Line Regulation (LR) from 0.226 to 2.1 % and the Power Supply Rejection (PSR) from -29 to -53.5 dB. The area covered by the circuit was estimated to be around 0.0039 mm2. The trimming script does not have a big impact in terms of TC and LR but reduces the Monte Carlo (MC) variation significantly.

Referências de tensão são blocos eletrónicos cujo propósito é gerar uma tensão de saída que não seja afetada por condições externas, tais como cargas, tensões de alimentação e variações de temperatura. Estes blocos são críticos em blocos típicos de circuitos integrados, tais como conversores analógico-digitais, conversores digital-analógicos, reguladores de tensão, filtros, entre outros dispositivos analógicos e mixed-signal. Neste trabalho, uma referência de tensão Bandgap (BGR) em modo de corrente com comportamento robusto, largo intervalo de tensões de alimentação, baixa potência, Power Supply Rejecton (PSR) alto e com área reduzida, utilizando tecnologia Finfet é desenvolvida e simulada. Além do núcleo da BGR, um amplificador operacional “half-cascode” e um circuito de arranque utilizando um Schmitt trigger são também desenvolvidos. De forma a garantir o funcionamento robusto do circuito, todas as simulações realizadas envolvem uma análise de cantos de processo, tensão e temperatura (PVT). Adicionalmente, um script em Verilog-A é desenvolvido com o propósito de melhorar as propriedades da BGR desenvolvida. A BGR proposta permite a escolha de uma tensão de saída entre 450 mV e 550 mV, tendo um intervalo de tensão de alimentação de 1.05 a 1.8 V e consumindo de 21.6 a 62.9 𝜇A dependendo do canto PVT considerado. Os resultados de simulação mostram que o circuito alcança um coeficiente de temperatura (TC) de 14.3 a 111 ppm/ºC, uma dependência com a tensão de alimentação (LR) de 0.226 a 2.1 % e uma PSR de -29 a -53.5 dB. A área estimada que o circuito ocupe é de 0.0039 mm2. O script não traz um grande impacto em termos de TC e LR, mas reduz a variação de simulações Monte Carlo (MC) significativamente.