PROJETO DE REFERÊNCIAS DE TENSÃO DO TIPO

PROJETO DE REFERÊNCIAS DE TENSÃO DO TIPO BANDGAP EM
TECNOLOGIA CMOS DE 180 nm(1)
Renan T. Paim(2), Arthur C. De Oliveira(3), Paulo César C. De Aguirre(4)
executado com recursos do Edital Nº271/2015, do Programa de Desenvolvimento Acadêmico (PDA).
Bolsista, Universidade Federal do Pampa – UNIPAMPA; Alegrete, Rio Grande do Sul;
[email protected].
(3)Estudante de Mestrado, Voluntário, Universidade Federal do Rio Grande do Sul – UFRGS; Porto Alegrete, Rio Grande
do Sul; [email protected].
(4)Orientador; Universidade Federal do Pampa.
1)Trabalho
(2)Estudante,
RESUMO: Referências de tensão são circuitos que geram uma tensão de referência a qual, principalmente, independe
da temperatura de operação. Este tipo de circuito é aplicado nas mais diversas aplicações, indo de conversores A/D até
sensores inteligentes. Este trabalho tem como objetivo apresentar o projeto de referências de tensão do tipo bandgap.
Neste resumo é apresentado o projeto de duas referências de tensão em tecnologia CMOS de 180 nm, as quais
implementam as características discutidas com e sem a utilização de um amplificador operacional, sendo elas nomeadas
de BGR1 e BGR2, respectivamente. São apresentados os resultados para o desempenho das referências projetadas.
Palavras-Chave: Projeto Analógico, Referências de Tensão, Bandgap.
INTRODUÇÃO
O circuito de referência de tensão é um circuito que gera uma saída de tensão estável, independente
da tensão de alimentação do circuito, corrente de carga, temperatura, ou passagem do tempo (KOK, TAM;
2012). Estes circuitos são empregados em diversos circuitos eletrônicos integrados como conversores de
dados A/D e D/A, sensores e amplificadores operacionais.
Diversas topologias de circuitos já foram propostas para atender tais necessidades de referência.
Inicialmente, a referência de tensão bandgap foi proposta por Robert Widlar em 1971 (WIDLAR, 1971). A
referência de bandgap pode ser dividida em três funções: a geração de duas tensões ou correntes, uma
proporcional e a outra complementar a temperatura absoluta (PTAT e CTAT, respectivamente), e a
polarização (MATTIA et al., 2014).
METODOLOGIA
Inicialmente, foi efetuado o estudo e análise das topologias existentes de circuitos do tipo bandgap.
Visando a fabricação e aplicação futura destes circuitos em conversores de dados, optou-se por efetuar o
projeto de duas topologias clássicas. Para isto, os principais parâmetros de desempenho para referências de
tensão foram estudados e os circuitos de referência foram projetados visando a redução do seu consumo de
energia. A seguir são descritas as principais métricas de performance de circuitos de referência do tipo
bandgap que foram analisados neste trabalho.
a. Regulação de Linha (LR): É a variação da tensão de saída ∆VREF,T (nom) do circuito em função da
variação da tensão de alimentação (ΔVDD).
∆𝑉𝑅𝐸𝐹,𝑇(𝑛𝑜𝑚) (∆𝑉𝐷𝐷 )
𝐿𝑅 =
(1)
∆𝑉𝐷𝐷
b. Coeficiente de Temperatura (TC): Indica o quanto a tensão de referência varia dentro de uma faixa
de temperatura.
∆𝑉𝑅𝐸𝐹(max),𝑉𝐷𝐷(𝑛𝑜𝑚)
𝑝𝑝𝑚
𝑇𝐶 =
𝑥 106 (
)
(2)
∆𝑇 𝑥 𝑉𝑅𝐸𝐹(@300𝐾)
°𝐶
c. Taxa de Rejeição do Ruído da Fonte de Alimentação (PSRR): Indica a capacidade do circuito de
referência de rejeitar ruídos provenientes da fonte de alimentação.
𝑉𝑅𝐸𝐹,𝐴𝐶
𝑃𝑆𝑅𝑅 = 20 log
𝑑𝐵
(3)
𝑉𝐷𝐷,𝐴𝐶
O esquemático de BGR1 e BGR2 estão mostrados pelas Fig. 1(a) e (b), respectivamente. Ambos
circuitos necessitam de um circuito de startup para dar início ao funcionamento. Ambos circuitos foram
projetados com objetivo de obter o menor consumo de energia.
Anais do VII Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa
Figura 1 – Esquemático (a) do BGR1 e (b) do BGR2 projetado.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os circuitos BGR1 e BGR2 foram simulados em nível de esquemático e comparados com o circuito
desenvolvido por (COLOMBO, 2009) em nível de leiaute. Estes resultados são sumarizados na Tabela 1.
Especificações
VREF@27°C
TC
ΔT
LR
VDD
Isupply
PSRR@1 kHz
Tabela 1 – Características dos BGRs projetados.
Valor Obtido (BGR1) Valor Obtido (BGR2) (COLOMBO, 2009)
1,234
1,27
1,166
17,7
22,84
24
-55 a 125
-55 a 125
-55 a 125
48,6
16,54
0,85
1,8
1,8
1,8
39,7
53,25
262
26,93
49,53
60
Fonte: Elaborado pelo Autor.
Unidade
V
ppm/°C
°C
mV/V
V
µA
dB
Conforme o esperado, o circuito BGR1 é mais estável em relação a tensão de referência dentro de
uma faixa de temperatura, mas possuiu um menor PSRR na temperatura nominal comparado com os demais
circuitos. O circuito BGR2 tem uma rejeição maior aos ruídos provenientes da fonte de alimentação se
comparado ao BGR1 e ambos os circuitos projetados neste trabalho consumem menos energia que o circuito
projetado por (COLOMBO, 2009).
CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou o projeto de duas referências de tensão do tipo bandgap em tecnologia
CMOS de 180 nm.
Os resultados obtidos para ambas referências projetadas, BGR1 e BGR2, se mostraram compatíveis
para as topologias utilizadas, conforme apresentados por outros trabalhos da literatura. Como trabalho futuro,
tem-se o desenvolvimento do leiaute destes circuitos de referência e a sua fabricação em silício.
REFERÊNCIAS
COLOMBO D.M., “Bandgap voltage references in submicrometer cmos technology”, Master’s thesis, Universidade
Federal do Rio Grande do Sul, 2009.
KOK C. and TAM W., CMOS Voltage References: An Analytical and Practical Perpective. Wiley, 2012.
MATTIA O., KLIMACH H. and BAMPI S., “Resistorless bjt bias and curvature compensation circuit at 3.4 nw for cmos
bandgap voltage references”, Electronics Letters, vol. 50, no. 12, pp. 863-864, June 2014.
WIDLAR R., “New developments in ic voltage regulators”, Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 6, no. 1, pp. 2-2, Feb
1971.
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