Référence de tension bandgap en technologie SOI à faible

Référence de tension bandgap en technologie SOI à faible dérive sur une large
gamme de température
Emna Chabchoub , Franck Badets, Pascal Nouet, Mohamed Masmoudi
CEA-LETI
17 Avenue des Martyrs,
38000 Grenoble, France
LIRMM
161 Rue Ada,
34090 Montpellier, France
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Résumé
Les références de tension sont des éléments basiques dans
les applications hautes températures. La référence de tension
la plus utilisée est la référence bandgap. Toutefois, on ne
trouve pas beaucoup des références band-gap allant à des
températures supérieures à 150°C. Une référence de tension
band-gap en technologie SOI compensée au premier ordre
avec un faible coefficient de température sur une plage de
température allant jusqu'à 200°C est proposée. La référence
de tension est conçue en utilisant la technologie 0,18µm SOI
partiellement deplétée de XFab. L'architecture est basée sur
la somme d'une tension proportionnelle à la température
absolue avec une tension inversement proportionnelle à la
température absolue. Elle exploite les caractéristiques en
température des résistances de diffusion et des résistances
Rpoly de la technologie de fabrication. Grâce à cette
technique, la structure de la référence de tension proposée est
simple et a l'avantage de ne pas avoir besoin du “trimming”.
Le circuit produit une tension égale à 1,22V. Les résultats de
simulation montrent que le circuit permet d'obtenir un
coefficient de température égal à 13,21ppm/°C sur une large
gamme de température allant de -20°C à 200°C. La puissance
consommée est inférieure à 44μW sous une tension
d'alimentation égale à 1,8V. Dans les simulations de Monte
Carlo, le coefficient de température moyen est 19.84ppm/°C et
la valeur moyenne de la tension de sortie de référence est
1,222V.
I.
Introduction
L'intérêt pour l'électronique haute température ne
cesse d’augmenter au cours des dernières décennies grâce
au progrès des technologies de fabrication. Parmi les
applications hautes températures, on trouve les
applications dans le domaine de l'automobile, de
l’industrie pétrolière et de l'industrie aéronautique. Dans
ce genre d’applications, il est souhaité d’avoir des
références de tension avec une faible dérive en
température sur une large plage. D'une manière générale,
les références de tension sont des éléments basiques
presque dans tous les systèmes électroniques allant de
l'analogique vers les circuits numériques, tels que les
amplificateurs, les convertisseurs de données, les
oscillateurs, les systèmes d'instrumentation et de
conditionnement des signaux ... Dans certaines
applications, la stabilité de la tension de référence peut
être un élément critique.
La référence de tension la plus utilisée est la référence
de tension dite bandgap (bandgap voltage reference en
anglais : BGVR), grâce à la simplicité de son principe. Ce
type de circuit fournit à sa sortie une tension de référence
de 1,2V. Cependant, il n'y a pas beaucoup de références
de tension bandgap conçus pour des températures
supérieures à 150°C. Le développement des BGVR pour
la très haute température a pâti jusque-là de la sensibilité
des technologies CMOS classiques. Ces technologies
sont inadaptées à cause de leurs courants de fuite qui
augmentent exponentiellement avec la température et
deviennent rapidement prohibitifs. Toutefois, la
technologie SOI semble prometteuse puisque elle a des
courants de fuite moindres et peut atténuer divers effets
de l’augmentation de la température.
Dans cet article, on propose une référence de tension
bandgap conçue pour une température de fonctionnement
allant jusqu'à 200°C. Le BGVR a été conçu dans une
technologie SOI partiellement depléte (PD-SOI). La
stabilité de la tension de sortie a été obtenue grâce à
l’exploitation des caractéristiques thermiques des
résistances de diffusion et des résistances poly offerts par
la technologie dans laquelle le circuit a été conçu, la Xfab
PD-SOI 0,18µm.
II.
Principe des références de tension
bandgap
Depuis sa première introduction par Widlar [1], le
principe du bandgap a été largement utilisé pour
concevoir des références de tension précises. La tension
de sortie est égale à la somme de la tension baseémetteur d'un transistor bipolaire ayant un coefficient de
température négatif (CTAT) et une tension de correction
proportionnelle à la température (PTAT) avec un facteur
d’ajustement K, comme représenté sur la figure 1. La
caractéristique en température de la tension baseémetteur d’un transistor bipolaire peut être exprimée
sous la forme [2 ]:
VBE(T)=Eg(T)-VT[ln(Ic0)-ln(X)+(4-m-α) .ln(T)] (1)
où Eg est la tension de bande interdite du silicium à 0K,
α est l'ordre de dépendance à la température du courant
du collecteur, m représente l'ordre de dépendance à la
température de la mobilité, X est R une constante
technologique et VT désigne la tension thermique.
Figure 1. Principe des références de tension bandgap.
La tension PTAT est généralement générée par une
différence entre la tension base-émetteur de deux
transistors bipolaires comme suit :
VPTAT = ∆VBE = VT . ln(n)
(2)
où n est le rapport de la densité de courant des deux
transistors bipolaires.
En combinant les équations (1) et (2), la tension de
référence du bandgap peut être formulée comme suit :
Vref = VBE + K.∆VBE
= cst.VT + K.VT.ln(n) + F(T)
(3)
où F (T) est une fonction complexe de la température,
d’ordre supérieur à 1. L'équation (3) montre que la
performance des références de tension utilisant une
combinaison linéaire de la tension base-émetteur du
transistor bipolaire et la tension thermique est limitée par
la non linéarité de la variation de la tension baseémetteur du transistor bipolaire.
La référence de tension bandgap conventionnelle
compensée au premier ordre a généralement un
coefficient de température (TC) entre 20ppm/°C et 100
ppm/°C [3]. Pour faire face à ce problème, des
techniques de compensation d'ordre supérieur sont
généralement utilisées dans ce cas. Cependant, ces
techniques sont au-delà de notre intérêt dans cet article.
III.
La référence de tension bandgap
proposée
La figure 2 montre le schéma de la référence de
tension bandgap proposée. La tension de référence de
sortie est donnée par :
Vout = VBE-L + RL VT .ln(n)
(4)
R
VBG
RL
R
Figure 2. Schéma de la référence de tension bandgap proposée.
Bien que notre premier intérêt en conception soit la
compensation des effets de l’augmentation de la
température, le mismatch dans le miroir de courant et la
tension d’offset à l'entrée de l'amplificateur pourraient
avoir un impact important sur la stabilité de la tension de
référence [4] [5]. Par exemple, si La tension d’offset à
l’entrée de l’amplificateur est égale à 1mV, celle-ci va
s’ajouter à la tension PTAT comme montre l’équation
(5) et
induit une erreur dans le coefficient de
température de la tension de sortie du bandgap égale à 26
ppm/°C [6]
Vptat = ∆VBE + Voffset
(5)
Pour pallier à ce problème, nous devons nous assurer
que ΔVBE domine toujours sur Voffset. Ceci peut être
réalisé en augmentant la valeur du rapport de la densité
de courant des transistors bipolaires.
La variation de VBE-L est comprise entre -1,5 mV/°C
et -2mV/°C [6]. Si l’on considère la valeur moyenne et
pour n égal à 100, le facteur d'ajustement requis K sera :
RL
|∆VBE-L|
(6)
K=
=
= 3.8
k.ln(n)
R
Cependant, seule la partie linéaire de la dépendance
en température de VBE-L est corrigée. Une non-linéarité
thermique dans la tension PTAT doit être créé pour
compenser la non-linéarité de la tension base-émetteur.
La technologie XFab utilisée fournit des résistances à la
fois avec un coefficient de température négatif et positif
ce qui nous permet de concevoir des résistances avec
différents coefficients de température grâce à un
coefficient de pondération x comme suit:
R = x. RTC+ + (1— x) RTC(7)
TCR = x. TC+ + (1— x) TC-
où RTC + est une résistance de diffusion et la RTC- est une
résistance de poly telle que le coefficient de température
est égale à 1,4 m/°C et -1.5m/°C, respectivement.
L’implémentation des résistances de R et RL a été
faite en utilisant cette approche. En conséquence, le
facteur d’ajustement K varie avec la température. Notez
que la meilleure stabilité thermique de la référence a été
obtenue pour le même coefficient de pondération pour
les résistances R et RL, abrégé x et xL respectivement,
comme le montre la figure3. Ceci peut être expliqué par
le fait que la variation du facteur d'ajustement en
fonction de la température doit être finement adaptée à la
non-linéarité de VBE-L. La bonne valeur du coefficient de
pondération peut être obtenue par un fin réglage du
circuit en simulation.
∆VBG
Figure 5. La dérive en température de la tension du bandgap en
fonction de la tension d’alimentation.
∆VBG
x = x L = 675m
Pour étudier l'effet des paramètres de l'amplificateur
sur le BGVR, des simulations ont été réalisées avec
différentes valeurs de tension d’offset et de gain de
l’amplificateur. Ces paramètres ont été modifiés
directement dans le modèle d'amplificateur et de leurs
effets sur la stabilité du BGVR sont exposées dans les
figures 6.a et 6.b
∆VBG
Figure 3. La dérive en température de la tension du bandgap en
fonction de x , pour xL=675m.
Résultats de simulation :
IV.
Les modèles de la technologie de fabrication limitent
la température maximale de simulation.
La caractéristique en température de la référence de
tension bandgap est présentée dans la figure 4. Sur une
gamme de température allant de -20°C à 200°C, le circuit
réalise un coefficient de température égal à 13,21 ppm/°C
pour 1,8V comme tension d’alimentation. L’effet de la
variation de la tension d’alimentation est rapporté dans la
figure 5.
Figure 6.a. La dérive en température de la tension du bandgap en
fonction de la tension d’offset de l’amplificateur.
∆VBG
VBG
Figure 6.b. La dérive en température de la tension du bandgap
en fonction du gain de l’amplificateur.
Figure 4. Tension de sortie du bandgap en fonction de la
température.
Une simulation Monte Carlo a été réalisée (figure 7)
afin de se mettre dans les conditions de fabrication
réelles. Elle montre que, sur 100 échantillons, le
coefficient de température moyen est égal à
19,84ppm /°C.
Références
[1]
[2]
∆VBG
[3]
[4]
[5]
[6]
Figure 7. La dérive en température de la tension du bandgap
sur 100 échantillons
[7]
Table1 résume brièvement la performance du circuit
BGVR proposé et met en évidence l'amélioration par
rapport aux autres BGVR dans la littérature.
[8]
Référence
Ce
travail
Paramètre
[7]
[8]
[9]
0;100
Température
(°C)
-20;200
25;300
25 ;300
Technology
0,18µm
PD-SOI
1µm
DP-SOI
1µm
0,35µm
FD-SOI
SOI
13,21
138
Variation
(ppm/°C)
PSRR
(dB)
Pconsommée
(µW)
Variation du
process
∆Voutmean (V)
100
11mV
NA
NA
-40
NA
44
285
900
6.6
5,334
NA
NA
20%
Table 1. Comparaison des performances.
V.
Conclusion
Une référence de tension bandgap en technologie SOI
a été présentée. On a pu réaliser un faible coefficient de
température sur une large gamme de température sans
avoir recours au trimming. Un point à développer sera
l’endurance du circuit face aux variations de la tension
d’alimentation.
[9]
R. J. Widlar, « New developments in IC voltage
regulators », IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 6
(1971) no 1, p. 2‑7.
Y. Tsividis, « Accurate analysis of temperature effects in
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design
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technology »,
University/Government/Industry
Microelectronics
Symposium (1989) Proceedings., Eighth, p. 120 ‑ 123,
2003.