Sensibilità della tensione d’uscita del riferimento di tensione

Capitolo 4

Simulazioni

Sensibilità della tensione d’uscita del riferimento di tensione

La tensione d’uscita del riferimento di tensione vale 311.9 mV per T=27 ^oC se il circuito è alimentato con 1V. Il suo andamento quando la tensione d’alimentazione varia tra 1 e 2.5 volt è quello di figura 4.1. La V_dsmax dei transistori, riportata sul manuale di processo, è di 1.1V.

La tensione d’alimentazione massima è imposta dal ramo d’uscita (figura 3.4):

V_ddmax =2V_dsmax +V_gs ≅2.5V (4.1)

La sensibilità di linea vale mV V

V LS V

dd

ref =0.152 / Δ

= Δ .

1.0 1.5 2.0 2.5

311.85 311.90 311.95 312.00 312.05 312.10

Vref (mV)

Vdd (V)

Figura 4.1: Tensione d’uscita del riferimento di tensione in funzione della tensione d’alimentazione.

Coefficiente di temperatura della tensione d’uscita del riferimento di tensione

In figura 4.2 viene mostrato l’andamento della tensione d’uscita del riferimento quando la temperatura varia nell’intervallo 0÷80 ^oC. La tensione d’alimentazione è di 1V. Il coefficiente di temperatura risulta:

ppm C

T Vref

Vref

TC Vref 1 10₆ 18.3 /^o

min min

max ⋅ =

⋅Δ

= − (4.2)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 311.5

311.6 311.7 311.8 311.9 312.0

Vr ef ( m V)

Temperatura (

C)

Figura 4.2: Tensione d’uscita del riferimento di tensione in funzione della temperatura.

In figura 4.3 viene mostrato l’andamento della tensione d’uscita del riferimento di tensione in funzione della temperatura per alcuni valori della tensione d’alimentazione.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 311.5

311.6 311.7 311.8 311.9 312.0 312.1 312.2

Vdd=2.5 V Vdd=2 V Vdd=1.5 V Vdd=1 V

Vr ef ( m V)

Temperatura (

C)

Figura 4.3: Tensione d’uscita del riferimento di tensione in funzione della temperatura per vari valori della tensione d’alimentazione.

Sensibilità della tensione d’uscita del regolatore di tensione

Procedendo come abbiamo fatto per il riferimento, riportiamo l’andamento della tensione d’uscita del regolatore in funzione della variazione della tensione d’alimentazione quando questa varia tra 1 e 2.5 volt (figura 4.4). La sensibilità di linea è di 0.24 mV/V.

1.0 1.5 2.0 2.5 311.8

311.9 312.0 312.1 312.2 312.3

Vreg (mV)

Vdd (V)

Figura 4.4: Tensione d’uscita del regolatore di tensione in funzione della tensione d’alimentazione.

Coefficiente di temperatura della tensione d’uscita del regolatore di tensione

In figura 4.5 si riporta l’andamento della tensione d’uscita del regolatore in funzione della temperatura quando quest’ultima varia da 0 a 80 ^oC. Il coefficiente di temperatura calcolato con la (4.2) è di 24 ppm/ ^oC.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 311.65

311.70 311.75 311.80 311.85 311.90 311.95

Vr eg ( m V)

Temperatura (

C)

Figura 4.5: Tensione d’uscita del regolatore di tensione in funzione della temperatura.

L’andamento della tensione d’uscita del regolatore in funzione della temperatura per vari valori della tensione d’alimentazione è mostrato in figura 4.6.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 311.7

311.8 311.9 312.0 312.1 312.2 312.3

Vdd=2.5 V Vdd=2 V Vdd=1.5 V Vdd=1 V

Vr eg ( m V)

Temperatura (

C)

Figura 4.6: Tensione d’uscita del regolatore di tensione in funzione della temperatura per vari valori della tensione d’alimentazione.

Analisi Monte Carlo

Nella produzione di circuiti integrati, i parametri elettrici sono soggetti a variazioni casuali

,

legate ai processi di fabbricazione tra wafer diversi e anche nello stesso wafer, o nello stesso chip. Queste variazioni sono dovute per esempio a non uniformità dei wafer, dei profili di drogaggio etc. L’effetto prodotto consiste in comportamenti diversi da chip a chip. Questi problemi vengono analizzati attraverso metodi statistici, uno dei quali è il metodo Monte Carlo [12]. L’analisi Monte Carlo è costituita da una serie di simulazioni dove i parametri principali che caratterizzano i componenti circuitali vengono fatti variare secondo una distribuzione Gaussiana uniforme. Questo permette di verificare l’effettiva fabbricabilità del circuito progettato. Abbiamo un effettuato una simulazione Monte Carlo con 300 iterazioni sia sulla tensione d’uscita del riferimento che del regolatore per due valori di tensione d’alimentazione (1V, 2V), e per due temperature (27 ^oC, 60 ^oC), valutando sia l’errore di mismatch che quello di processo. I risultati riportati nelle figure 4.7÷4.14 tengono conto di entrambi i due tipi di errore.

0 50 100 150 200 250 300 220

240 260 280 300 320 340 360 380

Vref (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 0

10 20 30 40 50 60 70 80

N.Iterazioni

Vref (mV)

Figura 4.7: Valutazione statistica della tensione d’uscita del riferimento con Vdd=1 V, T=27 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

0 50 100 150 200 250 300 220

240 260 280 300 320 340 360 380 400

Vref (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 0

10 20 30 40 50 60 70 80

N.Iterazioni

Vref (mV)

Figura 4.8: Valutazione statistica della tensione d’uscita del riferimento con Vdd=2 V, T=27 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

0 50 100 150 200 250 300 240

260 280 300 320 340 360 380

Vref (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 0

20 40 60 80

N.Iterazioni

Vref (mV)

Figura 4.9: Valutazione statistica della tensione d’uscita del riferimento con Vdd=1 V, T=60 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

0 50 100 150 200 250 300 240

260 280 300 320 340 360 380 400

Vref (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 0

20 40 60 80

N.Iterazioni

Vref (mV)

Figura 4.10: Valutazione statistica della tensione d’uscita del riferimento per Vdd=2 V, T=60 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

0 50 100 150 200 250 300 220

240 260 280 300 320 340 360 380 400

Vreg (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 0

10 20 30 40 50 60 70 80

N.Iterazioni

Vreg (mV)

Figura 4.11: Valutazione statistica della tensione d’uscita del regolatore per Vdd=1 V, T=27 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

0 50 100 150 200 250 300 220

240 260 280 300 320 340 360 380 400

Vreg (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 0

10 20 30 40 50 60 70 80

N.Iterazioni

Vreg (mV)

Figura 4.12: Valutazione statistica della tensione d’uscita del regolatore per Vdd=2 V, T=27 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

0 50 100 150 200 250 300 240

260 280 300 320 340 360 380 400

Vreg (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 400 0

10 20 30 40 50 60 70 80

N.Iterazioni

Vreg (mV)

Figura 4.13: Valutazione statistica della tensione d’uscita del regolatore per Vdd=1 V, T=60 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

0 50 100 150 200 250 300 220

240 260 280 300 320 340 360 380 400

Vreg (mV)

Iterazione

240 260 280 300 320 340 360 380 0

10 20 30 40 50 60 70 80

N.Iterazioni

Vreg (mV)

Figura 4.14: Valutazione statistica della tensione d’uscita del regolatore per Vdd=2 V, T=60 ^oC tramite simulazione Monte Carlo.

Con una tensione d’alimentazione di un volt e alla temperatura di 27 ^oC, otteniamo una tensione di riferimento di valor medio 310 mV con deviazione standard di 27 mV. Facendo variare la tensione di un volt, la distribuzione presenta la stessa deviazione standard, quest’ultima aumenta di un millivolt portando la temperatura a 60 ^oC. Gli istogrammi statistici relativi al regolatore mostrano un valor medio d’uscita uguale a quello della tensione d’uscita del riferimento e deviazione standard di 29 mV per una tensione d’alimentazione di un volt e alla temperatura di 27 ^oC. La deviazione standard non varia significativamente per una tensione d’alimentazione di due volt e alla temperatura di 60 ^oC.

Analisi dei risultati

Le simulazioni mostrano che il riferimento di tensione proposto genera una tensione media di circa 311.9 mV con una variazione di 0.218 mV a temperatura ambiente quando l’alimentazione varia da 1 a 2.5 volt. Per la tensione d’alimentazione minima il coefficiente di temperatura e’ di 18.3 ppm /^oC e la sensibilita’ e’ 0.152 mV/V. La corrente assorbita massima e’ di 334.4 nA per T=80 ^oC e Vdd=2.5 V, quella minima di 251.9 nA per T=25 ^oC e Vdd=1 V. L’area occupata, includendo anche il regolatore, e’ di 0.016 mm². I risultati ottenuti per il riferimento di tensione ed un confronto con quelli delle altre soluzioni presenti in letteratura vengono mostrati nella tabella 4.1.

This work G.Di Naro G.Lombardo

C.Paolino G.Lullo

G.De Vita

G.Iannaccone K.N.Leung K.N.Leung H.Banba [13]

Technology 0.90 nm CMOS

0.90 nm CMOS

0.35 μm CMOS

0.6 μm CMOS

0.6 μm CMOS

0.4 μm CMOS Supply

Voltage (V) 1 to 2.5 1 to 2.2 0.9 to 4 1 to 2.5 1 to 2.5 1 to 2.5 Supply

Current (μA)

0.2511@1V

0.2519@2.5V 1.3@1.2V 0.04@0.9V

0.055@4V <9.7 <18 <22

Vref (mV) 311.9 700 670 309.3 603 515

TC (ppm/^oC) 18.3 139.8 10 36.9 15 117

Line Sensitivity

(mV/V) 0.152 15 1.82 0.26 4.4 1.1

PSRR

@100 Hz

@10 MHz

Vdd=1V -51 dB

-39 dB N.A. Vdd=0.9 V -47 dB -40 dB

Vdd=1.4V -47 dB -20 dB

Vdd=0.98V -44dB

-17 dB N.A Chip Area

(mm²) 0.016 N.A 0.045 0.055 0.24 0.1

Tabella 4.1: Risultati ottenuti per il riferimento di tensione e confronto con quelli presenti in letteratura.