Adjustable voltage reference source implemented with MOS transistors

Uma nova técnica de compensação de temperatura para implementar tensões de referência em circuitos CMOS é descrita, desde o seu fundamento teórico até a comprovação experimental feita com amostras de circuitos integrados protótipos que a implementam. A ténica proposta se baseia no fato de que a tensão entre gate1, e fonte, VGS, de um transistor MOS pode tanto aumentar como diminuir com o aumento da temperatura, dependendo da corrente com que opera. Com base nisto, é possível empilhar n transistores, que estejam polarizados com uma corrente adequada de tal maneira que a queda de tensão sobre esta pilha de transistores, que tem amplitude nVGS, tenha, ao mesmo tempo, a mesma taxa de variação térmica que a tensão VGS produzida por um único transistor. Em tais condições, a diferença entre estas duas tensões é constante, tornando-se uma referencia de tensão. Uma implementação alternativa à pilha de transistores para produzir a tensão nVGS consiste num único transistor de gate ?utuante no qual a tensão VGS equivalente tem amplitude ajustável em campo. Diversos circuitos que se baseiam nesta técnica foram projetados e alguns deles fabricados em tecnologia CMOS 0,35 µm.O desempenho do melhor circuito fabricado atingiu coe?ciente térmico de 100 ppm/°C na faixa térmica de -40 a 120 °C. Outras configurações foram simuladas mostrando que é possível atingir coeficientes térmicos menores que 10 ppm/°C. O estado da arte é representado por referências de tensão que têm coeficientes térmicos de 1 ppm/°C na mesma faixa térmica em que se caracterizam os circuitos desenvolvidos. Tais referências de tensão se baseiam principalmente nos circuitos chamados de bandgap. Há também, um produto recente da empresa Intersil que utiliza um transistor que opera como memória análoga fornecendo uma tensão referência memorizada com altíssima estabilidade térmica. O princípio em que este produto se baseia, entretanto, é diferente do que está sendo proposto neste trabalho apesar do uso comum de um transistor de gate ?utuante. A contribuição deste trabalho não está no desempenho que as fontes de referência que se baseiam no princípio atingiram. Sua contribuição reside na forma como pode ser implementada, utilizando somente transistores MOS e no fato de que tem amplitude ajustável em campo. 1A palavra gate está sendo usada em toda extensão do texto, em lugar da palavra ?porta?, para identi?car o terminal de alta resistência de um transistor MOSA new technique of temperature compensation to implement a voltage reference in CMOS circuits is described, from theoretical basis to experimental evidence made with samples of integrated circuits prototypes that implement it. The proposed technique is based on the fact that the voltage between gate and source, VGS, of a MOS transistor can either increase as diminish with the increase of temperature, depending on the current with that it operates. Based in this, it is possible to pile up n transistors, that are polarized with an adequate current in such way that the voltage on this stack of transistors, that has amplitude nVGS, has, at the same time, the same thermal variation than the VGS voltage produced in only one transistor. In such conditions, the difference between these two voltages is constant, becoming a voltage reference. An alternative implementation to the stack of transistors to produce the nVGS volage consists of a ?oating gate transistor in which equivalent VGS has adjustable amplitude in ?eld. Diverse circuits that are based on this technique had been projected and some of them manufactured in technology CMOS 0,35 µm. The performance of the best manufactured circuit reached 100 ppm/°C of thermal coefficient in the thermal band of -40 to 120 °C. Other con?gurations had been simulated showing that it is possible to reach thermal coe?cients lesser that 10 ppm/°C. The state of the art is represented by voltage references that have thermal coefficients of 1 ppm/°C in the same thermal band where the developed circuits had been characterized. Such voltage references are mainly based on the circuits called bandgap. There is, also, a recent product of the Intersil company who uses a transistor that operates as analogical memory supplying a voltage reference memorized with highest thermal stability. The base principle of this product is, however, different of that being considered in this work despite the use of a ?oating gate transistor. The contribution of this work is not in the performance that the reference sources that are based on the principle had reached. Its contribution inhabits in the form as it can be implemented, only using MOS transistors and in the fact that it has adjustable amplitude in ?el