Tensão de referência tipo Bandgap - DSIF

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IE 012
Eletrônica II
EE640
Circuitos geradores de tensão de
referência tipo bandgap
Professor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIF
Sala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
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IE 012
Característica IC vs.VBE de um
transistor bipolar
VBE
 VVBE

I C = I S  e T − 1 ≅ I S e VT




IC é a corrente de coletor
VT a tensão termodinâmica = kBT/q
kB é a constante de Boltzmann, kB=1,38062 × 10-23 [J/K]
T a temperatura em Kelvin
q a carga do elétron 1.60 × 10-19 [C]
portanto VT @ temperatura ambiente = 25 mV
IS corrente de saturação reversa
Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics
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3
IE 012
Corrente de saturação reversa IS
Transistor NPN
Simplificando:
IS =
2
2
i
2
E
q n A DB
QB
WB
QB 0 ≅ qAE ∫ N A ( x )dx
0
kT
Dn = B µ n
q
QB = qAE
WB
∫ N (x )dx = N
A
WB
A
0
XC
qAE ni2 Dn
IS =
N AWB
∫ p(x )d x
XE
Fonte; Sedra & Smith, Microelectronics
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IE 012
Efeito da temperatura em IS
ni2 ∝ T 3 exp ( −qVg / k BT )
Dn = ( k BT / q ) µ n
µ n ∝ T −n
O problema situa-se em modelar a dependência
de IS com a temperatura
2
5
IE 012
Método sugerido por Meijer:
Dependência da temperatura em IC(VBE)
I C = CT η exp
q (VBE − Vg 0 )
k BT
sendo que:
Vg0 é a tensão de bandgap extrapolada a 0 K
C é uma constante dependente do processo
η é uma constante relacionada a dependência da mobilidade dos
portadores minoritários com a temperatura na região de base
(dependente da dopagem)
Valores empíricos obtidos por Meijer são:
Vg0=1166 mV e η=3.72
Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980
Smart Sensor Systems, G.C.M. Meijer
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IE 012
Aplicando o resultado anterior e considerando uma
temperatura arbitrária T e uma temperatura de referência
especifica Tr, tem-se:
 T
VBE (T ) = Vg 0 1 −
 Tr
 T
k BT T k BT  I C ( T ) 
ln +
ln 

 + VBE (Tr ) − η
T
q
T
q
 r
r
 I C (Tr ) 
Normalmente IC é proporcional a temperatura:
IC ∝ T m
Fazendo m=1 (diretamente proporcional), tem-se:
 T
VBE (T ) = Vg 0 1 −
 Tr
 T
k BT T
ln
 + VBE (Tr ) − (η − m )
q
Tr
 Tr
Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980
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VBE versus temperatura

kT 
k 
T 
VBE (T ) = Vg 0 + (η − m ) B r  − λT + (η − m ) B  T − Tr − T ln 
q 
q 
Tr 

V B E [T ]
V g 0 + (η − m )
kTr
q
Vg 0
λ=
Vg 0 +
k BTr
(η − m ) − VBE (Tr )
q
Tr
V BE [Tr ]
Tr
T [K ]
Ref: G.C.M.Meijer and K. Vingerling, IEEE JSSC, vol. Sc15, n2, April 1980
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IE 012
Exemplo considerando:
Vg 0 = 1166 mV η = 3.72
VBE (Tr ) = 630 mV
Tr = 323 K
m=0
Termo não linear
0
V BE,NL (T )
[mV]
-0.5
-1
-1.5
-2
η-m=3.72
-2.5
T r=50oC=323 K
-3
η -m B =3
-3.5
-4
-50
0
50
100
150
o
Temperature [ C]
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9
IE 012
Termo não linear na tensão VBE
Não-linearidade de V BE
t en sã o ( m V )
0,0
-500,0µ
-1, 0m
-1, 5m
T R = 50 C
(η-m )=1
-2, 0m
-2, 5m
-3, 0m
-3, 5m
-4, 0m
(η-m )=2
(η-m )=2
-4, 5m
-5, 0m
-5, 5m
-6, 0m
-6, 5m
-7, 0m
-7, 5m
-8, 0m
-60
( η-m )=4
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
T (ºC)
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IE 012
Sistema sensor de temperatura usando um
único transistor como elemento sensor
Ic
A/D
Converter
Vbe
Micro Processor
Display
Vref
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11
IE 012
Comparação
Propriedade
Formato da
Saída
Faixa de
Operação
(ºC)
Sensibilidade
Linearidade
Exatidão:
- Absoluta
- Diferencial
Custo para
Adequação
em CI
Resistor PT Termistor
Resistência Resistência
Termopar
Tensão
Grande
-260 a
+1000
Média 0,4%
/K
Muito Boa <
±0,1K
Média
-80 a +180
Muito grande Média
-270 a +3500 -50 a +180
Alta 5% / K
Baixa 0,05 a Alta ~2mV /
1mV / K
K
Boa ±1K
Boa ± 1K
Alta em
ampla faixa
Média
Médio - Não
é um
processo
padrão
Alta em
estreita faixa
Média
Baixo - Não
é um
processo
padrão
Muito NãoLinear
Transistor
Tensão
Problemas
Devido a junção
Média
de referêncial
Alta
Média
Média
Muito Baixo
Sim, muito
Sim
facilmente
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IE 012
Tensão Proporcional à Temperatura Absoluta
VPTAT
A medida diferencial de duas tensões VBE
de transistores operando com densidades de
corrente diferentes apresenta uma
característica bem particular com a
temperatura. Esta tensão ∆VBE é chamada
de Tensão Proporcional à Temperatura
Absoluta ou VPTAT.
6
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IE 012
Medida diferencial PTAT
V [V]
Vg0
AVPTAT
VBE1
VBE2
T [K]
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IE 012
Técnica do centróide comum para a
relação 8:1
direção dos gradientes diversos
Q2
Q2
Q2
Q2
Q1
Q2
Q2
Q2
Q2
contróide comum
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IE 012
Dados experimentais do desvio
da tensão PTAT
Fonte: G.M.C. Meijer, Ph.D. Thesis, The Netherlands, 1982
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IE 012
Circuito sensor de temperatura baseados na tensão
PTAT
V+
I2
I1
+
R2
VOUT
−
Q2
Q1
R1
8
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IE 012
Circuito gerador de corrente
PTAT
+V
I BIAS
I0
Q3
Q4
r2
1
1
r1
(b)
Q1
Q2
R VPTAT
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IE 012
Fonte de referência tipo bandgap
V [V]
Vref
VBE0
A1VPTAT
VPTAT
VBE1
VBE2
(a)
Vref = VBE + AV
1 PTAT
T [K]
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Circuitos bandgap (a) Bipolar (b) CMOS
+V
(a )
(b)
+V
Q4
Q3
R2 = R1
R1
R1
Q2
Vref Q1
1
r1
RPTAT
1
VPTAT
Q1
r1
RPTAT
Vref
Q2
Fonte: IEEE Sensors Journal, Vol. 1, n° 3, October 2001
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IE 012
Tecnologias para a fabricação
dos elementos utilizados em um
sensor de temperatura ou circuito
de referência microeletrônicos
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21
IE 012
Transistores PNP em CMOS
C(Sub) B
E
P+
N+
N-epi
N+
C
E
P+
P+
B
N-epi
Sub
N+
P-Substrate
Vertical
Lateral
Fonte: Sensors and Actuators, A: Physical 87 (1-2), pp. 81-89
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IE 012
Circuito de uma fonte de referência do tipo
bandgap
V DD
M8
M6
M5
VS
R1
M 11
M 12
M 21
R2
M 22
24K
12K
6K
3K
1050
I POL
ctrl1
M4
M3
ctrl2
ctrl3
ctrl4
RPTAT
M7
Q2
Q1
1
24
V SS
11
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IE 012
Resultados de simulação do circuito bandgap
1.235V
(26.809,1.2349)
1.234V
1.233V
1.232V
1.231V
(-50.000,1.2304)
1.230V
1.229V
-60
-40
-20
-0
20
40
60
80
100
V(R1:2)
TEMP
24
IE 012
Layout do circuito bandgap
Tra nsisto re s
b ip o la re s
Q1 e Q2
Am p lific a d o r
o p e ra c io na l
Re sistê nc ia s
d e p o lisilíc io
c h a ve s a na ló g ic a s
12
IE 012
25
Gerador de corrente PTAT de alta
precisão e baixo consumo
M 26
M 25
M 22
M 24
M 23
V DD
C H1
I PTAT
M 31
power-on
M 32
M 11
R PTAT
100K
M 12
CK
CH 2
CM
10p
Q1 Q2
M 13 M 14
M 21
V SS
Fonte: A. Bakker, High-accuracy CMOS smart temperatura sensors, Ph.D. Thesis, TU Delft, The Netherlands, 2000
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IE 012
Conversão de temperatura em freqüência
IPTAT
f out =
VOUT
+
IPTAT
−
1
I
= PTAT
2T1 2VH C
VREF
13
27
IE 012
Modulação Duty-Cycle
I REF
V
S1
t
I PTAT
C
+
−
Dout =
VREF
Comparador
Schmitt-Trigger
T1
T
T1
T
28
IE 012
Custo de produção de um sensor
de temperatura integrado
Descrição
• Projeto
• Processamento
• Teste
• Corte, colagem, empacotamento
• Calibração
Total
Custo
0,10
0,30
0,15
0,25
0,20
U$1,00
Projeção para a venda de 1 milhão de unidades por ano
Fonte: A. Bakker, High-accuracy CMOS smart temperatura sensors, Ph.D. Thesis, TU Delft, The Netherlands, 2000
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Empacotamento dos sensores de
temperatura
http://www.smartec.nl/
30
IE 012
Efeito térmico no CMOS
ID =
µ COX W
2
L
( vGS − Vt )
Vt = Φ ms −
2
µ (T )
2ε s qN b
Q0'
+ 2Φ F +
COX '
COX '
Vt (T )
2Φ F + VSB
Desvantagens da utilização do CMOS como
sensor de temperatura:
– Variações não tão previsíveis (baixa
repetibilidade)
– Ausência da tensão de bandgap (Vg0)
15
31
IE 012
FIM
16