The simulation of influence of main components’ parameters of reference voltage sources on output voltage

Authors

  • О. В. Цимбал
  • В. П. Корнєв

DOI:

https://doi.org/10.18372/2073-4751.63.15002

Keywords:

Voltage reference, bandgap, CMOS technology, temperature dependence, temperature coefficient

Abstract

The aim of the research is to develop a model of the reference voltage source that can be modeled the influence of the main structural components’ parameters of reference voltage source on the accuracy and temperature stability of the output voltage. The article analyzes the current state of reference voltage sources in integrated circuits. It was established that reference voltage sources are one of the main blocks of each integrated chip. It was found that requirements are for these sources are the next: they must have low sensitivity to changes in supply voltage, temperature, and deviations of the parameters of the technology process. In this case, the reference voltage sources must operate at a supply voltage equal to or less than 1V to meet modern aspects of the application. A possible approach to the construction of a reference voltage source having a temperature-independent output voltage and capable of operating at a supply voltage equal to or less than 1V is proposed in this article. This solution has the ability to implement in the standard CMOS technology for integrated circuits. An analysis of possible sources of error that degrade the accuracy of the output voltage of the reference voltage source is provided. It was established that the bias voltage of the operational amplifiers has the strongest effect on the accuracy of the output voltage. An idealized model is proposed, which contains ideal resistors and operational amplifiers – the components that most strongly affect the accuracy and stability of the output voltage of the voltage references. An operational amplifier model has been developed that is able to model the input bias current, input bias voltage, input resistance, differential gain, output resistance and frequency response of the operational amplifier. The influence of voltage gain, bandwidth, output resistance of the operational amplifier, input bias voltage on the nominal output voltage and the temperature coefficient are investigated. A regression analysis was performed to display in a polynomial of the 4th order form like , temperature dependence of the currents generated in the circuit. This allows you to choose the correct values of current transfer coefficients in the current mirrors to reduce the temperature dependence of the output voltage.

References

Джерело опорної напруги. [Елек-тронний ресурс] – Режим доступу: https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_reference.

K. N. Leung and K. T. Mok, “A sub-1-V 15-ppm/C CMOS bandgap voltage ref-erence without requiring low threshold volt-age device,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 37. – №. 4. – P. 526–529, Apr. 2002.

H. Neuteboom, B. M. J. Kup, and M. Janssens, “A DSP-based hearing instru-ment IC,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 32. – №. 11. – P. 1790–1806, Nov. 1997.

P. Malcovati, F. Maloberti, M. Pruz-zi, and C. Fiocchi, “Curvature compensated BiCMOS bandgap with 1-V supply voltage,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 36. – №. 7. – P. 1076–1081, Jul. 2001.

G. A. Rincon-Mora, Voltage Refer-ence-From Diodes to Precision High-Order Bandgap Circuits. – New York: Wiley, 2002.

Стала Больцмана. [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://bit.ly/-36AxwFl.

Цимбал О. В. Методи компенсації температурної залежності вихідної напру-ги в джерелах опорної напруги інтегра-льних мікросхем / Електронна і акустична інженерія. – Том 3, №1. –К.:КПІ ім. І. Сі-корського, 2020. – С.23-28.

Guang Ge, Cheng Zhang, Gian Hoogzaad, Kofi A. A. Makinwa. “A Single-Trim CMOS Bandgap Reference With a 3σ Inaccuracy of ±0.15% From −40C to 125C,” IEEE Journal of Solid-State Circuits (Vol-ume: 46, Issue: 11, Nov. 2011.)

Paul Brokaw, “How to Make a BANDGAP VOLTAGEREFERENCE in ONE EASY Lesson A». Integrated Device Technology, 2011.

Precision voltage references/ [Електронний ресурс] – Режим доступу https://bit.ly/3eW7PTD/.

Monte Carlo Simulation. [Елект-ронний ресурс] – Режим доступу: https://bit.ly/38MVW1j.

Linear Regression. Help Center MathWork. [Електронний ресурс] – Режим доступу: https://bit.ly/3nm8P6d.

Downloads

Issue

Vol. 1 No. 63 (2020)

Section

Статті

License

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.

  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).