Low Power Bandgap Reference Circuit in 22nm FDSOI

Abstract

Denne rapporten presenterer design av en båndgaps spenningsreferanse krets i 22nm FDSOI med lav-effekt. Den foreslåtte båndgaps spenningsreferanse kretsen er basert på topolgien/arkitekturen i [19]. Arbeidet i denne rapporten er en fortsettelse på designet som finnes i [18]. Designet i [18] oppnår en dårlig yttelse ved temperaturer under -20°C. Det foreslåtte båndgaps spenningsreferanse kretsen i denne rapporten adresserer den dårlige yttelsen ved temperaturer under -20°C samtidig inkluderer andre forbedringer blant annet bruk av selv-kaskode strømspeil i stedet for konvensjonelle strømspeil, inklusjon av oppstartskrets, og forbedret kompensering av tilbakekoblinger. Denne foreslåtte båndgaps spenningsreferanse kretsen benytter seg av en diodekoblet PMOS transistor som generer en CTAT spenning som blir summert med en PTAT spenning som er generert av to NMOS selv-kaskode struktrurer, og som til sammen danner en spenning som er tilnærmet uavhengig av temperatur over en temperatur rekkevidde på 165°C. TC verdien til utgangsspenninger ligger på rundt 76.13 til 189.9ppm/°C. Denne foreslåtte båndgaps spenningsreferanse kretsen oppnår et effektforbruk på 625.9nW ved rom temperatur. Maks effektforbruk var observert ved bruk av en Monte Carlo simulering av effektforbruk ved en driftstemperatur på -40°C. Minste effektforbruket er på 368.9nW ved en driftstemperatur på 125°C. Båndgaps spenningsreferanse kretsen oppnår en rask oppstart som ligger på rundt 1.484 til 4.348μs avhengig av driftstemperatur og prosesshjørne. Den totale integrerte utgangstøyen over en frekvensrekkevidde fra 1Hz til 1GHz er på 144μV. Utlegget av den foreslåtte båndgaps spenningsreferanse kretsen okkuperer et areal på 6573μm2.

This thesis presents the design of a low-power bandgap reference circuit in 22nm FDSOI. The proposed bandgap reference circuit is based on the topology/architecture of the bandgap reference circuit presented in [19]. The work in this thesis is a continuation of the design found in [18]. The design in [18] exhibits poor performance at temperatures below -20°C. The proposed bandgap reference circuit in this thesis addresses the poor performance at sub -20°C temperatures and also includes other enhancements such as self-cascode current mirrors instead of conventional current mirrors, the inclusion of a start-up circuit, and improved compensation of feedback loops. The proposed bandgap reference circuit utilizes a diode-connected PMOS transistor as a CTAT voltage generator. The output voltage of the CTAT generator gets summed with a PTAT voltage generated by two NMOS self-cascode structures which establishes a near-temperature independent output reference voltage over a temperature range of 165°C. The TC of the output reference voltage ranges from 76.13 to 189.8ppm/°C. The proposed bandgap reference circuit exhibits a power consumption of 625.9nW at room temperature in the nominal process corner. The maximum power consumption is 912.2nW and was obtained using Monte Carlo simulation of power consumption at an operating temperature of -40°C. The minimum power consumption is 368.9nW at an operating temperature of 125°C. The bandgap reference circuit exhibits a fast start-up time ranging from 1.484-4.348μs depending on the operating temperature and process corner. The total integrated noise of the bandgap reference circuit over a frequency range of 1Hz to 1GHz is 144μV. The layout of the proposed bandgap reference circuit occupies an area of 6573μm2.