Ultra-niedrigleistungs Wider standslose Spannungsreferenz mit exzellenter PSRR

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird eine Nanowatt-Widerstandslose Subschwellen-Spannungsreferenz mit hohem Power Supply Rejection Ratio (PSRR) vorgestellt. Ein selbstvorgesetzter MOS-Spannungsteiler wird vorgeschlagen, um Biasstrom für die gesamte Spannungsreferenz bereitzustellen, welcher ein positiver Temperaturkoeffizient (TC) Strom mit Schwellenwertspannungscharakteristiken ist. Durch Injektion des erzeugten Stroms in einen Transistor mit einer anderen Schwellenwertspannung wird eine Delta-Schwellenwertspannung mit stark reduziertem negativen TC realisiert und gleichzeitig durch ein erzeugtes positives TC-Element temperaturkompensiert. Daher wird eine temperaturstabile Spannungsreferenz in der vorgeschlagenen kompakten Methode mit niedrigem Stromverbrauch und hohem PSRR erreicht. Verifikationsergebnisse mit 65-nm CMOS-Technologie demonstrieren, dass die minimale Versorgungsspannung so niedrig wie 0,35 V sein kann bei einer aktiven Fläche von 0,00182 mm². Die erzeugte Referenzspannung beträgt 148 mV, mit einem TC von 28 ppm/°C für den -30 bis 80 °C Temperaturbereich. Die Liniensensitivität beträgt 1,8 mV/V, und der PSRR ohne jeden Filterkondensator bei 100 Hz beträgt 53 dB bei 2,28 nW Leistungsaufnahme.

Einleitung

Spannungsreferenz ist eines der Kernmodule in elektronischen Systemen, weit verbreitet in Medizinelektronik, Energiemanagement, drahtlosen Umweltsensoren und Kommunikationsschaltungen. Da die Versorgungsspannung elektronischer Systeme mit technologischer Verbesserung weiter abnimmt, steigen die Anforderungen an eine niedrigleistungs Spannungsreferenz mit Nanotechnologie kritisch an.

Konventionelle Spannungsreferenzen basieren auf Bandlückenreferenz (BGR) Schaltungen, welche eine gewichtete Summe von V_BE und thermischer Spannung sind. Aufgrund des nichtlinearen Temperaturverhaltens von V_BE ist es essenziell, Krümmungskompensationsansätze zu verwenden, um die Präzision von BGR zu verbessern. Ein weiterer Nachteil von BGR ist der Stromverbrauch. V_BE liegt bei ~0,7 V ohne Schrumpfung mit Prozessverbesserung, was die Versorgungsspannung absolut begrenzt. Dies macht BGRs ungeeignet für Niedrigspannungs- und Nanoskalenanwendungen.

Um niedrigleistungs Betrieb zu erreichen, werden MOS-only Subschwellen-Spannungsreferenzen zunehmend adoptiert. Da Transistoren im schwachen Inversionsbereich inhärente Vorteile in Niedrigleistungsanwendungen mit sehr kleinen Strömen haben, kann der Stromverbrauch entsprechender Spannungsreferenzen effektiv reduziert werden. Zudem, da die Eigenschaften von Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) mit Prozessverbesserung konsistent sind, ist Spannungsreferenz basierend auf MOSFET anpassungsfähiger an fortgeschrittene Technologien. Zusätzlich sollte die Verwendung von Widerständen in Niedrigleistungsanwendungen vermieden werden. Da der Strom in der Spannungsreferenz normalerweise umgekehrt proportional zum Widerstandswert ist, bedeutet niedrige Leistungsdissipation hochohmige Widerstände, die großen Rauschen induzieren und große Chipfläche beanspruchen können.

Power Supply Rejection Ratio (PSRR) ist ein weiterer wichtiger Parameter der Spannungsreferenz. Konventionelle Lösungen zur PSRR-Verbesserung gehen zu Lasten von Chipfläche und Stromverbrauch, wie zusätzliche Verstärker, lange Kanaltransistoren, Cascode-Strukturen und zusätzliche Verstärkerstufen.

Um die oben genannten Probleme zu überwinden, wird in diesem Brief eine Nanowatt MOSFET-basierte widerstandslose Subschwellen-Spannungsreferenz mit hohem PSRR vorgeschlagen, die für fortgeschrittene Technologie wie Nanoskalenprozess geeignet ist. Ein selbstvorgespannter MOSFET-Spannungsteiler für PSRR-Verbesserung wird in der vorgeschlagenen Spannungsreferenz adoptiert, der einen positiven Temperaturkoeffizienten (TC) Strom mit Schwellenwertspannungscharakteristiken erzeugen kann. Der Strom dient als Biasströme für die gesamte Spannungsreferenz. Daneben wird die in den Biasstrom eingebettete Schwellenwertspannung durch Injektion des Biasstroms in MOSFET mit unterschiedlichen Schwellenwertspannungen in der Arbeit reproduziert. Mit der vorgeschlagenen Methode wird eine Delta-Schwellenwertspannung (∆V_TH) mit stark reduziertem negativen TC erhalten. Daneben wird ein gewichteter Proportional-zur-absoluten-Temperatur (PTAT) Begriff ebenfalls erhalten, während eine gewichtete Summe von ∆V_TH und PTAT-Spannung gleichzeitig realisiert wird. Aufgrund der gegenseitigen TC-Kompensation zweier unterschiedlicher Schwellenwertspannungen kann die erforderliche PTAT-Spannung für Temperaturkompensation stark reduziert werden. Durch diese Methode wird eine MOSFET-only widerstandslose Spannungsreferenz durch eine kompakte Struktur mit niedrigem Stromverbrauch erreicht.

Methode

Wie in Abb. 1 gezeigt, besteht die vorgeschlagene Spannungsreferenz aus einer Start-Schaltung, einem selbstvorgespannten Stromgenerator und einer V_REF-Erzeugungsschaltung. Alle n-Kanal-MOSFETs sind ein mittlerer Schwellenwertspannung N-Typ Metall-Oxid-Halbleiter (mvt NMOS). MP4 ist ein hoher Schwellenwertspannung Transistor P-Typ Metall-Oxid-Halbleiter (hvt PMOS), und die anderen p-Kanal-MOSFETs sind ein mittlerer Schwellenwertspannung PMOS (mvt PMOS). Alle in Abb. 1 gezeigten Transistoren arbeiten im Subschwellenbereich, außer denen in der Start-Schaltung.

Schematik der vorgeschlagenen Spannungsreferenz

Start-Schaltung

Die Start-Schaltung besteht aus MP5, MP6 und MN4. Zu Beginn eines Power-On-Stages ist das Gate-Potenzial von MP6 niedrig und MP6 ist eingeschaltet. Der von MP6 erzeugte Strom lässt das Gate-Potenzial von MN1 und MN2 steigen, und der gesamte Schaltkreis beginnt zu arbeiten. Gleichzeitig lädt MP5 den Start-Kondensator MN4 auf. Mit dem Ladevorgang von MN4 wird Transistor MP6 allmählich ausgeschaltet, was die Start-Schaltung vom Kern der vorgeschlagenen Spannungsreferenz ohne zusätzliche Leistungsdissipation trennt. Durch diese Methode kann die vorgeschlagene Spannungsreferenz an einem gewünschten Betriebspunkt arbeiten, während ein Degenerationspunkt vermieden wird.

Selbstvorgesetzter Stromgenerator

Der mittlere Teil in Abb. 1 ist ein selbstvorgesetzter Stromgenerator, basierend auf einem MOSFET-only Spannungsteiler. Der Biasstrom mit positivem TC für die gesamte Spannungsreferenz wird in diesem Teil erzeugt, welcher relevant zum mittleren Schwellenwertspannung von NMOS ist. Die einzigartige Charakteristik des präsentierten Biasstroms wird adoptiert, um die vorgeschlagene Spannungsreferenz auf praktische Weise zu realisieren, was im "Methode"-Abschnitt analysiert wird.

In Bezug auf die Strom-Spannungs-Charakteristik eines Transistors im Subschwellenbereich wird der Drain-Strom des Transistors im Subschwellenbereich fast unabhängig von V_DS mit V_DS > 4V_T, wo V_T = kT/q die thermische Spannung ist, k die Boltzmann-Konstante, q die Elementarladung und T die absolute Temperatur. Daher kann der Strom ausgedrückt werden als:

I_D = S I_SQ exp((V_GS - V_TH)/(mV_T))

wobei S = W/L das Aspektverhältnis ist, m der Subschwellensteilheitsfaktor, V_TH die Schwellenwertspannung und I_SQ der spezifische Strom, dargestellt durch:

I_SQ = μ C_OX (m-1) V_T²

wobei μ die Trägerbeweglichkeit und C_OX die Oxidkapazität pro Flächeneinheit ist.

Daher können die Ströme durch den MOSFET-only Spannungsteiler, gebildet durch MN1, MN2 und MN3, wie folgt ausgedrückt werden:

I_D_MN1 = S_MN1 I_SQN exp((V_GS_MN1 - V_THN)/(mV_T))

I_D_MN2 = S_MN2 I_SQN exp((V_GS_MN2 - V_THN)/(mV_T))

I_D_MN3 = S_MN3 I_SQN exp((V_GS_MN3 - V_THN)/(mV_T))

wobei I_SQN der spezifische Strom von NMOS und V_THN die Schwellenwertspannung von NMOS ist.

Da die Aspektverhältnisse von MN2 und MN3 gleich sind und I_D_MN2 = I_D_MN3, ist V_GS_MN2 = V_GS_MN3 garantiert. Dies macht V_GS_MN1 = 2 V_GS_MN2. Außerdem bilden die PMOS-Transistoren Stromspiegel und definieren die Stromverhältnisse K_1 = S_MP1/S_MP2 und K_2 = S_MP3/S_MP2. Die Beziehung der Drain-Ströme zwischen MN1 und MN2 kann ausgedrückt werden als:

I_D_MN1 = K_1 I_D_MN2

Kombiniert mit den obigen Gleichungen können V_GS_MN2 und I_D_MN2 gegeben werden durch:

V_GS_MN2 = mV_T ln(K_1 S_MN2 / S_MN1)

I_D_MN2 = S_MN2 I_SQN exp(ln(K_1 S_MN2 / S_MN1) - V_THN/(mV_T))

Zur Analysevereinfachung kann Gl. (8) abgekürzt werden als:

I_D_MN2 = a T^(2-n_1) exp(b - V_THN/(mV_T))

wobei a = S_MN2 μ_n0 C_OX (m-1) (k/q)² und b = ln(K_1 S_MN2 / S_MN1) temperaturunabhängig sind, μ_n0 ein temperaturunabhängiger Faktor der Trägerbeweglichkeit ist, und n_1 der absolute Temperaturexponent der Trägerbeweglichkeit, üblicherweise ~1,5.

Wie in Gl. (9) gezeigt, ist Schwellenwertspannung V_THN komplementär zur absoluten Temperatur (CTAT), während thermische Spannung V_T proportional zur absoluten Temperatur (PTAT) ist. Mit steigender Temperatur wird V_THN/(mV_T) reduziert, so dass die positiven Stromeigenschaften des Biasstroms verstärkt werden.

Durch diese Methode wird ein positiver TC Biasstrom durch MOSFET-only Struktur erreicht, welcher die Charakteristiken der NMOS Schwellenwertspannung trägt.

V_REF Erzeugungsschaltung

Die V_REF Erzeugungsschaltung ist im rechten Teil von Abb. 1 gezeigt, welche nur aus zwei Transistoren, MP3 und MP4, gebildet wird. Aufgrund des Subschwellenbereichsbetriebs kann I_D_MP4 geschrieben werden als:

I_D_MP4 = S_MN4 I_SQP exp((|V_GS_MP4| - |V_THP|)/(mV_T))

wobei I_SQP der spezifische Strom von PMOS und V_THP die V_TH von PMOS ist.

Da I_D_MP4 = K_2 I_D_MN2, können die Charakteristiken der NMOS Schwellenwertspannung V_THN zum Output-Knoten transferiert und mit den Charakteristiken der PMOS Schwellenwertspannung V_THP überlagert werden. Aus den Gleichungen kann V_REF geschrieben werden als:

V_REF = |V_THP| - V_THN + mV_T ln(K_2 S_MN2 I_SQN / (S_MP4 I_SQP)) + mV_T ln(K_1 S_MN2 / S_MN1)

Wie in den ersten beiden Termen von Gl. (11) gezeigt, wird eine Delta-Schwellenwertspannung realisiert. Da V_TH = V_TH0 - βT, wobei V_TH0 die Schwellenwertspannung bei 0 K und β der TC der Schwellenwertspannung ist, ist die erzeugte Delta-Schwellenwertspannung eine CTAT-Spannung mit stark geschrumpftem TC bei |βV_THP| > βV_THN. Daneben werden zwei zusätzliche PTAT-Spannungen gleichzeitig realisiert und in den letzten beiden Termen von Gl. (11) gezeigt, welche zur Kompensation des reduzierten TC der Delta-Schwellenwertspannung adoptiert werden. Daher wird eine kompakte temperaturstabile Referenzspannung ohne komplizierte Struktur erreicht, welche stabil bei |V_THP0| - V_THN0 ist.

Basierend auf der vorherigen Analyse wird in dieser Arbeit eine niedrigleistungs MOSFET-only Spannungsreferenz realisiert, welche nur drei Zweige im Kern erfordert. Mit den einzigartigen Charakteristiken einer selbstvorgesetzten Stromquelle wird ein diodengeschalteter PMOS adoptiert, um eine CTAT-Spannung mit geschrumpftem TC, PTAT-Spannungsgenerator und gewichtete Summation gleichzeitig zu erreichen. Was mehr ist, die vorgeschlagene Struktur wird nur durch MOSFETs konstruiert, und die erzeugte Referenzspannung ist proportional zur Delta-Schwellenwertspannung. Daher ist die vorgeschlagene Spannungsreferenz besser für niedrige Stromverbrauchsanwendungen mit Nanotechnologie geeignet, welche auf fortgeschrittenere Technologien erweitert werden kann.

PSRR der vorgeschlagenen Spannungsreferenz

Um die PSRR-Leistung zu illustrieren, sind die Pfade von Versorgungsrauschen zu V_REF und entsprechende äquivalente Funktionsdiagramme in Abb. 2 gezeigt.

Die Pfade des Versorgungsrauschens

Basierend auf Abb. 2 wird das Kleinsignalmodell von Pfad 3 in Abb. 3 gezeigt, und folgende Gleichung kann erhalten werden:

(v_dd - v_A)/r_ds_MP1 + g_m_MP1 v_dd = v_A/r_ds_MN1 + g_m_MN1 v_A

Kleinsignalmodell von Pfad 3

Aus der Gleichung kann der Ausdruck des Versorgungsrauschens durch Pfad 3 zu Knoten A gegeben werden als:

Av_path3 = v_A/v_dd = (r_ds_MN1 + g_m_MP1 r_ds_MN1 r_ds_MP1) / (r_ds_MP1 + r_ds_MN1 + g_m_MN1 r_ds_MN1 r_ds_MP1)

Die Transkonduktanz des Transistors im Subschwellenbereich ist g_m = I_D/(mV_T). Daher kann die Beziehung zwischen g_m_MP1 und g_m_MN1 mit demselben Strom als g_m_MP1 = g_m_MN1 gegeben werden. Dann kann Gl. (13) vereinfacht werden als:

Av_path3 ≈ 1

Knoten B hat auch einen Effekt auf Knoten A durch Pfad 1, aber der Effekt ist entgegengesetzt zu Pfad 3, was ausgedrückt werden kann als:

Av_path1 ≈ -1

Für V_A = 2 V_GS_MN2 wird der Gain von Pfad 2 gegeben als:

Av_path2 = -1/2 g_m_MN2 (2 r_ds_MN2 ‖ 1/g_m_MP2) ≈ -1/2

Der Effekt von v_dd auf Knoten B durch Pfad 4 kann geschrieben werden als:

Av_path4 = (2 r_ds_MN2) / ((1/g_m_MP2) + 2 r_ds_MN2) = (2 g_m_MP2 r_ds_MN2) / (1 + 2 g_m_MP2 r_ds_MN2)

Von Knoten A zu Knoten B in Abb. 2 können zwei zusätzliche Gleichungen erhalten werden:

Av_path4 v_dd + Av_path2 V_A = V_B

Av_path3 v_dd + Av_path1 V_B = V_A

Gemäß den Gleichungen kann das Rauschen an V_B gegeben werden als:

V_B = (2 g_m_MP2 r_ds_MN2 - 1) / (1 + 2 g_m_MP2 r_ds_MN2) v_dd ≈ v_dd

Mit Hilfe der vorgeschlagenen selbstvorgesetzten Stromquelle kann der Output-Knoten des Stromgenerator-Teils, B, die Kleinsignalvariation der Versorgungsspannung verfolgen, was für die PSRR-Verbesserung der gesamten Spannungsreferenz vorteilhaft ist.

Mit ähnlicher Methode können die Versorgungsrausch-Gains von Pfad 5 und Pfad 6 durch Gleichungen (21) und (22) präsentiert werden:

Av_path5 = g_m_MP3 (r_ds_MP3 ‖ 1/g_m_MP4)

Av_path6 ≈ 1

Unter Berücksichtigung der Rauschen-Pfad-Verbindungsbeziehung des Referenzgenerators in Abb. 2 kann der Effekt des Versorgungsrauschens an der Referenzspannung V_REF durch Pfad 5 und Pfad 6 bestimmt werden:

v_REF = Av_path5 V_B + Av_path6 v_dd = 1/(1 + g_m_MP4 r_ds_MP3) v_dd = 1/(1 + (exp(V_DS_MP3/V_T) - 1)/m) v_dd

Für V_DS > 4V_T ist der Exponentialterm in Gl. (23) sehr groß. Dies macht die PSRR-Leistung mit steigendem V_DS_MP3 stark verbessert. Im vorgeschlagenen Design ist das minimale V_DS_MP3 über 200 mV, was bedeutet, dass die Änderung der Versorgungsspannung wenig Effekt auf V_REF hat. Somit hat die vorgeschlagene Struktur eine gute PSRR-Leistung.

Ergebnisse und Diskussion

Die Spannungsreferenz ist in einem 65-nm CMOS-Prozess implementiert, dessen Layout in Abb. 4 gezeigt wird, beanspruchend eine 0,00182 mm² aktive Fläche.

Layout des vorgeschlagenen Schaltkreises

Abbildung 5 zeigt die Linieregulation der vorgeschlagenen Spannungsreferenz bei 27 °C. Wie in Abb. 5 gezeigt, kann die minimale Versorgungsspannung so niedrig wie 350 mV sein, und die erzeugte Referenzspannung V_REF liegt bei ~148 mV. Die Liniensensitivität (LS) beträgt 1,8 mV/V.

Wellenform von V_REF versus Versorgungsspannung

Die Temperaturleistung von V_REF mit 350 mV Versorgungsspannung ist in Abb. 6 gezeigt. Der TC von V_REF beträgt 28 ppm/°C von -30 bis 80 °C. V_REF zeigt positive Temperaturcharakteristiken unter -15 °C und über 25 °C, während negative Temperaturcharakteristiken im mittleren Temperaturbereich.

Temperaturabhängigkeit von V_REF

Abbildung 7 zeigt den Stromverbrauch versus Temperatur mit 350 mV Versorgungsspannung. Der Strom zeigt einen positiven TC. Die Leistungsaufnahme bei Raumtemperatur beträgt ~2,28 nW.

Stromverbrauch versus Temperatur

Abbildung 8 zeigt das PSRR-Ergebnis bei 27 °C mit 350 mV Versorgungsspannung, wo der PSRR ohne jeden Output-Filterkondensator über 53 dB bis 100 Hz beträgt. Wie oben erwähnt, kann die PSRR-Leistung mit Versorgungsspannungserhöhung weiter verbessert werden, was bedeutet, dass der in Abb. 8 gezeigte PSRR der Worst-Case der vorgeschlagenen Spannungsreferenz ist.

PSRR der vorgeschlagenen Spannungsreferenz

Die Verteilungen von ungetrimmten V_REF bei 27 °C mit 100 Samples ist in Abb. 9 gezeigt. Der Mittelwert und die Standardabweichung von V_REF betragen 147 mV und 3,97 mV, was einen Spread (σ/μ) von 2,7 % ergibt.

Verteilungen von ungetrimmten V_REF

Tabelle 1 fasst die Charakteristiken der vorgeschlagenen Spannungsreferenz zusammen und vergleicht sie mit einigen zuvor berichteten Spannungsreferenzen.

Schlussfolgerung

Eine widerstandslose Niedrigleistungs-Spannungsreferenz mit hohem PSRR wird in dieser Arbeit vorgestellt, welche für Nanoskalenanwendungen geeignet ist und auf fortgeschrittenere Prozesse erweitert werden kann. Mit Hilfe der selbstvorgesetzten Stromquelle basierend auf MOSFET-Spannungsteiler können die erforderliche CTAT-Spannung, PTAT-Spannung und gewichtete Summation gleichzeitig in einer kompakten Struktur realisiert werden. Was mehr ist, eine Delta-Schwellenwertspannung wird als CTAT-Spannung gewählt, welche einen stark reduzierten negativen TC hat. Dies macht auch den erforderlichen Wert der PTAT-Spannung geschrumpft. Daher können Versorgungsspannung und Stromverbrauch heruntergebracht werden. Alle Teile werden nur durch MOSFETs konstruiert, was Priorität in leistungsempfindlichen hochintegrierten Anwendungen wie SoC hat.

Abkürzungen

BGR:

Bandlückenreferenz

CTAT:

Komplementär zur absoluten Temperatur

hvt:

Hohe Schwellenwertspannung

LS:

Liniensensitivität

mvt:

Mittlere Schwellenwertspannung

PSRR:

Power Supply Rejection Ratio

PTAT:

Proportional zur absoluten Temperatur

TC:

Temperaturkoeffizient