Кмоп исполнение

КМОП исполнение источника тока показано на рисунке 7.4.

Рис.7.4: PTATтоковый генератор на КМОП.

Для данной схемы источника тока характерно то, что МОП транзисторы должны работать в подпороговой области (области слабой инверсии). Это требование продиктовано тем, что стоковые токи экспоненциально зависят от напряжения затвор – исток только в подпороговой области, а именно эта характеристика и используется в топологии данной схемы. Применяя второй закон Кирхгофа к схеме, получаем выражение для выходного тока:

(7.16)

где (W/L)– отношение ширины канала к его длине дляn-канальных транзисторов. Также недостатком МОП транзисторов в подпороговой области является то, что токи утечки могут превысить ток стока при достаточно высоких температурах, так как токи утечки возрастают с повышением температуры. В результате, температурный диапазон использования транзисторов в подпороговой области иногда ограничен.

На рисунке 7.5 приведены схемы реализации источника тока, не бази-рующегося на использовании транзисторов в подпороговой области для образования PTATтока.

Рис. 7.5. КМОП источники тока, не использующие подпороговую область.

В этом случае, диоды используются для того, чтобы обеспечить разность напряжений (или). Транзисторыmn1 иmn2 используются для обеспечения равенства напряжений наn1 иn2. Это равенство получается потому, что оба транзистора имеют одинаковые затвор – истоковые напря-жения, вследствие одинаковых размеров и равных стоковых токов. Транзисторыmn1 иmn2 топологически размещены так, чтобы они были лучше согласованы между собой. К тому же, длины каналов транзисторов должны быть достаточно велики, для предотвращения λ-эффекта (ошибок, связанных с модуляцией длины канала), который может привести к значительному снижению точности получаемогоPTATтока. Если λ-эффект является проблемой, то для гарантированного равенства напряжений наn1 иn2 может быть использован ОУ как показано на рисунке 7.5. В такой схеме транзисторmp1 используется в качестве выходного транзистора ОУ, а транзисторыmp2 иmp3 – как зеркалаmp1. При этом ОУ должен иметь малую разницу между своими входными напряжениями, так как эта разница является относительно большим источником ошибок.

Лекция_8 Источники опорного напряжения.

8.1. Элементарные ИОН на диодах и транзисторах.

8.2. ИОН на диоде Зэннера.

8.3. ИОН с выходным напряжением равным ширине запрещенной зоны.

Ион с выходным напряжением равным ширине запрещенной зоны.

Типовая схема ИОН, выходное напряжение которого равно ширине запрещенной зоны, приведена на рис. 8.1. Данная схема может быть выполнена с использованием КМОП технологии.

Рис. 8.1.

Другой типовой схемой ИОН является схема, в которой основные транзисторы работают в режиме слабой инверсии.

В области слабой инверсии вольт-амперные характеристики МОП-транзисторов носят экспоненциальный характер и могут использоваться для формирования напряжения φ_т. Уравнение, описывающее поведение МОП-транзистора в режиме слабой инверсии, имеет вид

Ic= OI_co e^UЗ/(nφт) (e ^{–UИ/ φт} - e -U_С/ φ_т) = OI _С0 e^{UЗ/(n φт)} (1 - е ^{–Uси/ φт} ) , (8.1)

где O=W/L; φ_т =kT/g; n-коэффициент наклона; I_СО- характеристический ток.

Уравнение (8.1) справедливо только для области слабой инверсии при U_СИ 3 φ_т.Коэффициентом n можно управлять, но онсильно зависит от температуры. Током I_СО трудно управлять, и он также сильно зависит от температуры.

Схема источника опорного напряжения, равного ширине запрещенной зоны полупроводника , в котором исключена зависимость от n, показана на рис.8.2. Два отражателя тока на КМОП-транзисторах М1-М4 образуют контур с начальным коэффициентом усиления, большим единицы. Поэтому ток в обеих ветвях увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие, при котором коэффициент усиления в контуре уменьшится до единицы из-за действия напряжения U_R1на резисторе R1. Если предположить, что приборы М1-М4 работают в режиме слабой инверсии и напряжение U_DD достаточно велико, чтобы обеспечить насыщение тока стока М1 и М4, то для U_R1 можно получить формулу

U_R1= φ_т ln [(O₄O₁)/( O₂O₃)].

Заметим, что U_R1 зависит от теплового потенциала φ_т и соотношения геометрических размеров приборов и не зависит от n. Токи I_R1 и I_Э связаны соотношением

I_R1 / I_Э = O₃O₆. (8.3)

Решая ( 8.3 ) относительно I_э , получаем

I_Э= (O₃O₆ ) (φ_т / R_{1 )}ln [(O₄O₁)/( O₂O₃)].

Для U_оп имеем

U_оп= U_БЭ +IэR₂ = U_БЭ +(R₂ / R₁ ) (O₆O₃) φ_т ln [(O₄O₁)/( O₂O₃)].

Выражение для U_БЭ , которое подчеркивает его температурную зависимость, имеет вид

U_БЭ(T)= U_GO(1-T/T₀) + U_БЭ0 (T/T₀) + (mkT/g) ln(T₀/T),

где U_GO – экстраполированное значение напряжения ширины запрещенной зоны кремния; U_БЭ о – напряжение U_БЭ включенного диодом транзистора при Т=Т₀ ; m - постоянная , зависящая от технологии изготовления диода и его температурных характеристик.

Условию dUоп/dT=0 соответствует равенство

(R₂/R₁)( O₆/O₃) ln [(O₄/O₁ )/ (O₂/O₃ )] = (g/(kT₀)( U_GO - U_БЭ0))+m

В результате для опорного напряжения получаем

U_оп = U_GO +(mkT/g) (1+ln (T₀/T)).

Гарантировать требуемые характеристики при работе рассмотренного источника опорного напряжения можно при выполнении следующих условий. Во-первых, приборы должны работать в режиме слабой инверсии даже при наивысших рабочих температурах. Во-вторых, токи утечки, в частности в n-канальных приборах, должны быть минимизированы, иначе они станут основным источником погрешности при повышенной температуре. И, в третьих, выходное сопротивление приборов должно быть достаточно большим, чтобы достаточно хорошими были характеристики используемых отражателей тока. Это может быть достигнуто с помощью приборов с длинным каналом или более сложных схем отражателей тока, рассмотренных ранее.

Рис. 8.2.