Project of circuits for generation of voltage reference in receiving/transmitting RF systems.

Este trabalho consiste no projeto de uma Fonte de Tensão de Referência CMOS com coeficiente de temperatura inferior a 50 ppm/ºC. Esta fonte deve ser aplicada em receptores/transmissores de radio freqüência mas pode também ser utilizada em qualquer sistema analógico. A tecnologia utilizada foi a CMOS 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems) com quatro níveis de metal e dois de silício policristalino. A fonte de tensão implementada é do tipo Bandgap e utiliza dispositivos MOS em inversão fraca, um transistor bipolar parasitário e resistores de silício policristalino de alta resistividade. No circuito é produzida uma tensão PTAT (Proportional to Absolute Temperature) que somada a tensão base-emissor do transistor bipolar resulta numa tensão de saída independente da temperatura. O projeto e o desenho do layout desta fonte foram realizados. A partir do layout foram gerados netlists para simulações realizadas utilizando o software ELDO com o modelo MOS BSIM3v3, nas condições de operação típicas, worst speed e worst power. Através destas simulações verificou-se que o circuito atendia as especificações iniciais. O valor da tensão de saída, no entanto, apesar de estar próximo do valor desejado de 1,25 V, variou com as condições de simulação empregadas. Dois circuitos Bandgap diferentes foram enviados para fabricação: um circuito com resistores integrados (dimensões de 220 µm x 76 µm) e outro sem os resistores (dimensões de 190 µm x 36 µm). Este último permite, com o ajuste do valor dos resistores colocados externamente, modificar, se necessário, as condições de operação do circuito. Os circuitos foram caracterizados obtendo-se para o circuito com resistores integrados um coeficiente de temperatura inferior à 40 ppm/ºC, taxa de variação da saída com a tensão de alimentação próxima de 19 mV/V. O valor da tensão de saída a 50 ºC esteve entre 1,1835 V e 1,2559 V (1,25 V ± 67 mV). Para o circuito sem os resistores integrados, obteve-se um coeficiente de temperatura que chegou à 90 ppm/ºC, taxa de variação da saída com a tensão de alimentação inferior à 28 mV/V. O valor da tensão de saída a 50 ºC esteve entre 1,247 V e 1,2588 V (1,25 V ± 9 mV). A faixa de temperatura utilizada para as medidas foi de -30 ºC a 100 ºC. O consumo de corrente dos circuitos é de aproximadamente 14 µA e seu funcionamento é garantido para tensões de alimentação tão baixas quanto 1,8 V.This work consists in the design of a CMOS Voltage Reference Source with a temperature coefficient inferior to 50 ppm/ºC. This voltage source should be applied in radio frequency receptor/transmitter but can be also applied in any analog system. The technology employed in the design is the CMOS 0.35 µm from the AMS (Austria Micro Systems) with four metal levels and two poly-silicon levels. The implemented voltage source is of the Bandgap type and uses MOS devices in weak inversion, a parasitic bipolar transistor, and resistors made with high resistive poly-silicon. The circuit produces a PTAT (Proportional to Absolute Temperature) voltage that is added to the bipolar transistor base-emitter voltage to build an output voltage independent of temperature. The project and the drawing of the layout of the circuit had been carried out. The netlists of the circuit were generated from the layout and they were employed in simulations done with the software ELDO and the BSIM3v3 MOS model, in typical, worst speed, and worst power conditions. Through these simulations it was verified that the circuit reached the initial specifications. The value of the output voltage, however, although being next to the desired value of 1.25 V, varied with the employed simulation conditions. Two different Bandgap circuits had been sent to the foundry: a circuit with integrated resistors (dimensions of 220 µm x 76 µm) and another one without the resistors (dimensions of 190 µm x 36 µm). This last one allows, with the adjustment of external resistor values, modifying, if necessary, the operation conditions of the circuit. The circuits had been characterized and the circuit with integrated resistors has a temperature coefficient inferior to 40 ppm/ºC, an output variation rate with the power supply close to 19 mV/V. The output voltage value at 50 ºC is between 1.1835 V and 1.2559 V (1.25 V ± 67 mV). The circuit without the resistors has a temperature coefficient as high as 90 ppm/ºC, an output variation rate with the power supply inferior to 28 mV/V. The output voltage value at 50 ºC is between 1.247 V and 1.2588 V (1.25 V ± 9 mV). The temperature range used in the measurements was from -30 ºC to 100 ºC. The current consumption of the circuits is approximately of 14 µA, and they operate with power supply voltages as low as 1.8 V