Design and evaluation of integrated bandgap references

Abstract

Ziel dieser Diplomarbeit ist die Verbesserung einer Bandgap Spannungsreferenzquelle sowohl durch eine Reduzierung des Rauschens als auch durch eine Erhöhung der Genauigkeit der Spannung am Ausgang der Spannungsreferenz in einem Temperaturbereich von -40°C bis 125°C. Zusätzlich soll geprüft werden, ob die Verwendung von Bauelementen einer neuen BICMOS Technologie die Optimierung unterstützen kann. Das Bandgapprinzip wird vorgestellt, wobei unter Anderem auf einfache Bandgapschaltungen, den Betrieb einer Diode im Vorwärtszweig sowie den Einfluss des Operationsverstärkers eingegangen wird. Bestehende Bandgapschaltungen werden mit Hilfe von Simulationen auf ihr Rauschen, die Ausgangsspannung, Ströme und den Versorgungsspannungsdurchgriff hin untersucht und verglichen, um einen Überblick ihrer Eigenschaften zu erhalten. Durch unterschiedliche Schaltungsmodifikationen wird gezeigt, wie das Rauschen verkleinert und die Genauigkeit der Referenzspannung am Ausgang durch den Einsatz von BICMOS Bauelementen vergrößert werden kann. Hierbei wird im Differenzverstärker des Operationsverstärkers der Typ der Transistoren ausgetauscht oder ein Abgleichnetzwerk eingebaut. Mit den gewonnenen Erkenntnissen und einer vorgegebenen Schaltungsspezifikation wird eine neue Bandgap Spannungsreferenz mit BICMOS Bauelementen entwickelt. Der Entwicklungsprozess der neuen Schaltung ist vollständig dokumentiert, wie z. B. des Kerns der Bandgapschaltung, der mit einheitlichen Widerständen aufgebaut ist. Die Implementierung des Abgleichnetzwerks, das MOS-FET Transistoren als Schalter verwendet, ist ebenfalls enhalten. Beim Vergleich der neuen Bandgapschaltung mit einer bereits Bestehenden, ist die Genauigkeit der Ausgangsspannung deutlich erhöht, sodass die Abweichung von der nominellen Charakteristik der Ausgangsspannung nur wenige Millivolt beträgt. Das Rauschen der neuen Schaltung ist auf etwa die Hälfte gesunken. Die Vorgaben der Spezifikation bezüglich des Rauschen sind nicht in allen Bereichen eingehalten. Der Grund ist vor allem das Rauschen der aktiven Last und das Widerstandsrauschen des Tiefpassfilters am Referenzausgang. In einer weiterführenden Arbeit kann nach einer geeigneteren Schaltungstopologie gesucht werden, welche weniger Rauschen verursacht. Die Simulationsergebnisse sollten mit den durchgeführten Labormessungen verglichen werden, um Modellparameter überprüfen und anpassen zu können.

The objectives of this thesis are to enhance a bandgap voltage reference by both lowering the noise level and increasing the voltage accuracy at the reference output for a temperature range of -40°C to 125°C. Additionally, the support of the improvement by devices of a new BICMOS technology is being proofed as well. An introduction to the bandgap principle is given, mentioning basic bandgap circuits, the operation of a diode in the forward active range and the impact of the operational amplifier. Existing bandgap references are analyzed by simulation according to noise, output voltage, currents and power rejection ratio and are then compared to each other in order to achieve an overview about their current performance. To obtain insights on how to reduce the noise level and to increase the voltage accuracy at the output by applying BICMOS devices, various circuit modifications are performed. Inter alia, exchanging transistor types of the differential pair of the operational amplifier and implementing a trimming network is executed. Based on the gained output of the modifications and a given circuit specification a new bandgap reference using BICMOS devices is developed. The whole design process, as the one of bandgap core applying unit resistors or the trimming network using MOS-FET switches, is described in detail. Comparing the new bandgap reference to an existing one, the voltage accuracy is notably enlarged to a deviation of a few milli volts from the nominal output voltage characteristic while the noise is cut approximately in half. The specified limits of the noise are not fully met, especially because of the noise of the active load and the resistor noise of the low-pass filter at the reference output. In an outgoing project a different bandgap circuit topology might be looked for exhibiting less noise. The simulation results might be compared to experimental measurements to verify and adapt the model parameters.