Bandgap voltage references in submicrometer CMOS technology

Abstract

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap.

A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.