Структурна і параметрична оптимізація джерела опорної напруги

Автор(и)

  • Леонід Миколайович Павлов Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-8273-9607
  • Денис Ю. Лебедев Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Україна https://orcid.org/0000-0001-8672-8366

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347022070056

Ключові слова:

джерело опорної напруги, біполярна технологія, температурна залежність, температурний коефіцієнт, структурна оптимізація, параметрична оптимізація

Анотація

В статті показана можливість зниження температурного коефіцієнту для джерела опорної напруги (ДОН), побудованого на біполярних транзисторах. Для цього першим кроком запропоновано поділити температурний діапазон роботи ДОН на два інтервали. Оскільки найімовірнішим для експлуатації є інтервал з додатними значеннями температури, то такий поділ надає можливість удвічі зменшити температурний коефіцієнт для найімовірнішої робочої області при відповідному налаштуванні ДОН. При введенні вагових коефіцієнтів для оптимізації ДОН перевага надана робочому інтервалу саме додатних температур. Це дає напрямок пошуку оптимального рішення при формалізації процесу оптимізації. За другим кроком запропоновано структурну схему з компенсаторами спаду температурної характеристики. Також запропоновано електричні схеми типового компенсатора, та схеми включення одного і двох компенсаторів до нескомпенсованого ДОН. Цим також визначено правило введення наступних компенсаторів, якщо це буде доцільно. Проведено параметричну оптимізацію запропонованих схем ДОН і експериментальне дослідження схеми ДОН з одною ланкою компенсації. В результаті оптимізації отримано зменшення значення температурного коефіцієнту на рівні 2,88 ppm/°C для схеми з одним компенсатором, та 1,0 ppm/°C для випадку включення в схему двох компенсаторів, що перевершує опубліковані новітні досягнення. При розширенні температурного діапазону в область низьких температур, і застосуванні додаткових компенсаторів за наведеною структурною схемою, слід очікувати зниження температурного коефіцієнта до 0,25–0,5 ppm/°C.

Посилання

T. Ghanavati Nejad, E. Farshidi, H. Sjöland, A. Kosarian, “A high precision logarithmic-curvature compensated all CMOS voltage reference,” Analog Integr. Circuits Signal Process., vol. 99, no. 2, pp. 383–392, 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s10470-018-1296-0.

S. Jin, Z. Li, J. Li, A. Wang, “A low power bandgap voltage reference with nonlinear voltage curvature compensation,” DEStech Trans. Eng. Technol. Res., no. iceta, 2017, doi: https://doi.org/10.12783/dtetr/iceta2016/7042.

P. L. Schaeffer, “A simple sub-1V voltage reference,” University of Texas at Austin, 2017.

J. F. P. Calvillo, “Design of bandgap voltage reference with curvature compensation for the space industry,” Thesis to obtain the Master of Science Degree in Electronics Engineering, 2016.

H. Wang, J. Wang, J. Su, G. Zhang, F. Liang, “A precision voltage reference circuit with trimming for 16-bit SAR ADC in 55nm CMOS technology,” in 2018 IEEE 3rd International Conference on Integrated Circuits and Microsystems (ICICM), 2018, pp. 94–97, doi: https://doi.org/10.1109/ICAM.2018.8596484.

R. Madeira, N. Paulino, “Design methodology for an all CMOS bandgap voltage reference circuit,” in 8th Doctoral Conference on Computing, Electrical and Industrial Systems, 2017, pp. 439–446, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-56077-9_43.

I. Lee, D. Sylvester, D. Blaauw, “A subthreshold voltage reference with scalable output voltage for low-power IoT systems,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 52, no. 5, pp. 1443–1449, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/JSSC.2017.2654326.

Y. Yin, “Performance characteristics and design of voltage references,” Iowa State University, 2017.

N. Bako, I. Broz, Ž. Butković, M. Magerl, A. Barić, “Design of low-power voltage/current references and supply voltage for 9-bit fully differential ADC,” Automatika, vol. 57, no. 1, pp. 239–251, 2016, doi: https://doi.org/10.7305/automatika.2016.03.1616.

E. Barteselli, L. Sant, R. Gaggl, A. Baschirotto, “Design techniques for low-power and low-voltage bandgaps,” Electricity, vol. 2, no. 3, pp. 271–284, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/electricity2030016.

L. Peng, X. Jin, M. Liu, “Design and optimization of a low‐noise voltage reference using chopper stabilization technique,” Chinese J. Electron., vol. 26, no. 5, pp. 981–985, 2017, doi: https://doi.org/10.1049/cje.2017.03.020.

A. B. de Andrade, A. Petraglia, C. F. T. Soares, “A constrained optimization approach for accurate and area efficient bandgap reference design,” Microelectron. J., vol. 65, pp. 72–77, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.mejo.2017.05.012.

H. Huang, Y. Zeng, J. Liao, R. Chen, H. Tan, “Performance optimization for the CMOS voltage reference circuit based on NSGA-II,” in 2018 IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems (APCCAS), 2018, pp. 82–85, doi: https://doi.org/10.1109/APCCAS.2018.8605700.

K. D. Khalil, N. R. Soliman, H. Omran, “Automation of bandgap voltage reference optimization using vectorized coarse-fine grid search,” in 2019 7th International Japan-Africa Conference on Electronics, Communications, and Computations, (JAC-ECC), 2019, pp. 54–57, doi: https://doi.org/10.1109/JAC-ECC48896.2019.9051334.

K. Murakami et al., “Dynamic optimization of SVR control parameters for improving tap operation efficiency of voltage control in distribution networks,” IEEJ Trans. Electr. Electron. Eng., vol. 16, no. 1, pp. 67–77, 2021, doi: https://doi.org/10.1002/tee.23269.

E. L. Pankratov, “An approach to optimize of manufacturing of a voltage reference based on heterostrucures to increase density of their elements. Analysis of influence of miss-match induced stress and porosity of materials on technological process,” Int. J. Adv. Robot. Expert Syst., vol. 1, no. 2, pp. 41–60, 2022, uri: https://airccse.com/jares/papers/1218jares06.pdf.

S. Meshram, U. Panwar, “Optimization of low power CMOS based voltage reference generator in 32nm,” IJARCCE, vol. 7, no. 8, pp. 47–51, 2018, doi: https://doi.org/10.17148/IJARCCE.2018.7810.

А. В. Борисов, Л. Н. Павлов, “Модификация источника опорного напряжения,” Электроника и связь, no. 4, pp. 14–20, 2013, uri: http://nbuv.gov.ua/UJRN/eisv_2013_4_4.

Температурна залежність вихідної напруги ДОН відносно рівня 1,2 В для трьох зразків ДОН в діапазоні 10–150 °C

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-07-22 — Оновлено 2022-07-22

Як цитувати

Павлов, Л. М., & Лебедев, Д. Ю. (2022). Структурна і параметрична оптимізація джерела опорної напруги. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 65(7), 433–444. https://doi.org/10.20535/S0021347022070056

Номер

Том 65 № 7 (2022)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.