Design and verification of an ultra-low power voltage reference circuit using CMOS transistors

Voltage references are used in many ICs to obtain “temperature-independent”, “supply voltage-independent” and “process-independent” voltage. This thesis describes an ultra-low power voltage reference circuit in Texas Instruments (TI) process that is functional from -40º C to 180º C, additionally simulation results of a new voltage reference circuit and also the possible implementation of this voltage reference in Low Power DCDC Buck Converters. Traditionally, BJT based voltage reference circuits are commonly used, but the available TI process technology shallow trench isolation limits the performance of the bipolar components at very low current densities. In this work, a compact and ultra-low power voltage reference circuit is implemented in TI process technology using a CMOS process techonolgy with low voltage MOSFET transistor. Monte Carlo Simulations (mismatches and process variations, both included) have been performed. The circuit works down to a supply of 0.65 V. Simulated 3σ spread is 11.7%. The average reference voltage is 325 mV, and total current consumption of the circuit is less than 30 nA with 3σ spread at 180ºC.

I riferimenti di tensione sono utilizzati in molti circuiti integrati per ottenere una tensione "indipendente dalla temperatura", "indipendente dalla tensione di alimentazione" e "indipendente dal processo". Questa tesi descrive un circuito di riferimento a bassissima potenza progettato impiegando un processo di Texas Instruments che opera da -40o C a 180o C. Si riportano inoltre i risultati di simulazione di un secondo circuito e del suo possibile impiego in un convertitore DC-DC Buck a bassa potenza. Tradizionalmente, i circuiti di riferimento sfruttano la dipendenza con la temperatura della tensione di comando di transistori bipolari. Tuttavia, l'isolamento a trincee impiegato nei processi disponibili, limita le prestazioni dei componenti bipolari a densità di corrente molto bassa. In questo lavoro, è stato quindi progettato un circuito di riferimento compatto e a bassissima potenza implementato in tecnologia TI, utilizzando un dispositivo MOSFET indicato come bassa tensione. Le prestazioni del circuito sono state verificate con simulazioni Monte Carlo, tenendo conto della variabilità del processo e dei mismatch tra i componenti. Si è verificato il suo corretto funzionamento fino ad una alimentazione di 0,65 V. La deviazione standard simulata corrisponde a una variabilità 3σ pari a 11,7%. La tensione media di riferimento è di 325 mV e il consumo totale di corrente del circuito è inferiore a 30 nA tenendo conto della variabilità 3σ a 180oC.