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Type: TESE
Title: Geração de tensão de referencia e sinal de sensoriamento termico usando transistores MOS em forte inversão
Title Alternative: Reference voltage and temperature sensing signal generation using MOS transistors in strong inversion
Author: Coimbra, Ricardo Pureza
Advisor: Reis Filho, Carlos Alberto dos, 1950-
Filho, Carlos Alberto dos Reis
Abstract: Resumo: Fontes de referência de tensão e sensores de temperatura são blocos extensivamente utilizados em sistemas microeletrônicos. Como alternativa à aplicação de estruturas consolidadas, mas protegidas por acordos de propriedade intelectual, é permanente a demanda pelo desenvolvimento de novas técnicas e estruturas originais destes circuitos. Também se destaca o crescente interesse por soluções de baixa tensão, baixo consumo e compatíveis com processos convencionais de fabricação. Este trabalho descreve o desenvolvimento de um circuito que atende a estas exigências, fornecendo uma tensão de referência e um sinal de sensoriamento térmico, obtidos a partir de um arranjo adequado de transistores MOS, que operam em regime de forte inversão. O princípio de operação do circuito desenvolvido foi inspirado no conceito de que é possível empilhar n transistores MOS, polarizados com corrente adequada, de tal forma que a queda de tensão sobre a pilha de transistores, com amplitude nVGS, apresente a mesma taxa de variação térmica que a tensão VGS produzida por um único transistor. Nesta condição, a diferença entre as duas tensões é constante em temperatura, constituindo-se em uma referência de tensão. No entanto, o empilhamento de dois ou mais transistores impossibilita a operação do circuito sob baixa tensão. Isto motivou a adaptação da técnica, obtendo a tensão nVGS com o auxílio de um arranjo de resistores, sem o empilhamento de transistores. Desta forma, o potencial limitante da tensão mínima de alimentação tornou-se a própria tensão de referência, cuja amplitude é próxima de um único VGS. A estrutura desenvolvida fornece também um sinal de tensão com dependência aproximadamente linear com a temperatura absoluta, que pode ser aplicado para sensoriamento térmico. Foram fabricados protótipos correspondentes a diversas versões de dimensionamento do circuito para comprovação experimental de seu princípio de operação. O melhor desempenho verificado corresponde à geração de uma tensão de referência com coeficiente térmico de 8,7ppm/ºC, no intervalo de -40ºC a 120ºC, operando com tensão de 1V. Embora o estado da arte seja representado por índices tão baixos quanto 1ppm/ºC, para a mesma faixa de temperatura, a característica compacta do circuito e seu potencial de aplicação sob as condições de baixa tensão e baixo consumo lhe conferem valor como contribuição para este campo de pesquisa e desenvolvimento.

Abstract: Voltage references and temperature sensors are blocks extensively used in microelectronic systems. As an alternative to the use of consolidated structures that are protected by intellectual property agreements, there is a permanent demand for the development of new techniques and structures for these circuits. It can be also highlighted the growing interest for low-voltage and low-power solutions, implemented in conventional IC technologies. This work describes the development of a circuit that meets these requirements by providing a voltage reference and temperature sensing signal obtained from a suitable arrangement of MOS transistors biased in strong inversion. The operation principle of the circuit developed is based on the concept that it is possible for a stack of n MOS transistors, biased by an appropriate current, to show a voltage drop, equal to nVGS, with the same thermal variation rate as a VGS voltage produced by a single transistor. Hence, the difference between the two voltage signals is temperature independent, characterizing a voltage reference. However, the stacking of two or more transistors prevents the operation of the circuit under low voltage. This fact motivated to adapt the technique by obtaining the voltage nVGS with the aid of an array of resistors and no stacked transistors. The minimum supply voltage becomes limited only by the reference voltage itself, whose amplitude is close to a single VGS. The circuit developed also provides a voltage signal almost linearly dependent with the absolute temperature, which can be applied for thermal sensing. Prototypes corresponding to various dimensional versions of the circuit were produced to experimentally verify the principle of operation. The best performance corresponds to the generation of a voltage reference signal with 8.7ppm/ºC thermal coefficient, from -40ºC to 120ºC, under a 1V supply voltage. Although the state of the art is represented by values as low as 1ppm/ºC, at the same temperature range, the circuit's compact aspect together with the possibility to attend low-voltage and low-power requirements grants it value as contribution to this field of research and development
Subject: Semicondutores de oxido metalico
Circuitos integrados lineares
Circuitos integrados
Semicondutores
Sistemas eletrônicos analógicos
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2009
Appears in Collections:FEEC - Dissertação e Tese

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