ITVA20060034A1

ITVA20060034A1 - Metodo di generazione di una corrente di riferimento e relativo generatore retroazionato

Info

Publication number: ITVA20060034A1
Application number: IT000034A
Authority: IT
Inventors: Antonino Conte; Rosario Roberto Grasso; Mario Micciche; Vittorio Scavo
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2007-12-17
Also published as: US20080001592A1

Description

‘‘METODO DI GENERAZIONE DI UNA CORRENTE DI RIFERIMENTO E RELATIVO GENERATORE RETRO AZIONATO” Questa invenzione concerne i generatori dì corrente e più in particolare un generatore di una corrente costante dì riferimento con migliorate prestazioni in termini di stabilità, reiezione al rumore stille linee di alimentazione del generatore e insensibilità alle variazioni di temperatura di funzionarnento.

I generatori di corrente, utilizzanti dispositivi attivi, sono divenuti di uso comune nei circuiti analogici integrati, sia come elementi di polarizzazione sia come dispositivi di carico negli stadi amplificatori. L'uso di generatori di corrente come elementi di polarizzazione è utile per realizzare circuiti con prestazioni sostanzialmente indipendenti dalle variazioni della tensione di alimentazione e della temperatura di esercizio.

Per questo motivo, i parametri maggiormente utilizzati per valutare le prestazioni di un generatore di corrente sono la sensibilità rispetto alia tensione di alimentazione e alla temperatura.

Un altro aspetto fondamentale da non trascurare nella valutazione delle prestazioni dì un generatore di corrente, é la reiezione al rumore ad ampio spettro di frequenza presente sulla linea di alimentazione, generato ad esempio da circuiti digitali, oscillatori, pompe di carica etc. collegati alla linea.

Nella maggior parte delle applicazioni, le correnti di riferimento sono generate a partire da un riferimento di tensione costante, per esempio generato da un generatore a bandgap. Tale scelta permette di ottenere una corrente che si mantiene relativamente costante al variare della tensione di alimentazione e della temperatura, perché i generatori di tensione a bandgap hanno queste caratteristiche.

Un possibile schema per la generazione di un riferimento dì corrente è rappresentato in Figura 1 .

Eventuali variazioni della corrente dipendono principalmente dal fatto che la resistenza che viene usata per generare la corrente stessa varia con la temperatura. Per ovviare a questo inconveniente, mediante opportuni accorgimenti si compensa l'effetto termico della resistenza per ottenere una corrente che sì mantiene pressoché costante in un ampio intervallo di temperature.

L' amplificatore operazionale, in condizioni operative, porta il nodo alla tensione di retroazione Rcsnet alla tensione di riferimento a bandgap V_bg e genera una tensione di uscita VoutI tale da Far circolare sul transistore M4 una corrente pari proprio a V_bg/R4. Per avere un offset piccolo tra ì due ingressi dell'operazionale, si deve progettare un amplificatore differenziale con un guadagno relativamente alto,

Tale vincolo progettuale introduce dei problemi di stabilità e richiede l’introduzione di un'opportuna rete di compensazione (capacità e resistenza) con conseguente aumento dell’area di silicio occupata.

Questa invenzione fornisce un generatore di una corrente di riferimento che offre delle buone prestazioni sia in termini di sensibilità alla variazione della tensione di alimentazione e della temperatura di funzionamento, sia in termini di reiezione del rumore presente sulla tensione di alimentazione. Grazie alla sua innovativa architettura, il generatore deli’ invenzione occupa un’area dì silicio minore rispetto ai generatori noli e a parità di prestazioni. Piu precisamente, l’invenzione fornisce un generatore di corrente di riferimento avente un amplificatore differenziale ricevente in ingresso una tensione di riferimento a band-gap e una tensione di retroazione e generante una tensione di uscita applicata su una resistenza di retroazione, nella quale circola la corrente di riferimento. Diversamente dai generatori noti, il generatore dell’ invenzione ha un secondo percorso di conduzione che replica la corrente di riferimento che circola nella resistenza e polarizza con essa l'amplificatore differenzìale.

in pratica, secondo il metodo dell* invenzione di generazione di una corrente costante di riferimento, i transistori dell’amplificatore sono polarizzati con una replica scalata o amplificata o identica della corrente che circola nella resistenza di retroazione, Così facendo, si eliminano eventuali offset sistematici sulla corrente Iref dovute a differenze tra i due nodi di ingresso dell’ operazionale,

L’invenzione è definita nelle annesse rivendicazioni.

Una forma preferita di realizzazione dell<'>invenzione sarà descritta in dettaglio a titolo di esempio facendo riferimento alfe figure allegate, in cui:

la FiguraΪmostra un noto generatore di una corrente costante dì riferimento;

la Figura 2 mostra la forma di realizzazione preferita del generatore di corrente costante di riferimento dell' invenzione;

la Figura 3 mostra un diagramma di Bode del PSRR (Power Supply Rejectìon Ratio) della tensione Viref del generatore di Figura 2;

la Figura 4 mostra ì diagrammi di Bode del modulo e della fase della tensione dì uscita dell amplificatore del generatore di Figura 2.

Uno schema circuitale di un generatore di corrente costante secondo la forma di realizzazione preferita dell invenzione è mostrato in Figura 2. Come nello schema di Figura 1 , esso comprende un amplificatore differenziale ricevente in ingresso la tensione di riferimento a bandgap V_bg e la tensione di retroazione Resnet un transistore M4 controllato dalla tensione di uscita Voutl posto in serie ad una resistenza. R4 di retroazione atraverso la quale circola la corrente di riferimento Iref e sulla quale si produce la tensione di retroazione Resnet.

Lo schema di Figura 2 include un secondo percorso di corrente per polarizzare l amplificatore differenziate con una corrente replica scalata o amplificata o identica della corrente di riferimento Iref circolante nella resistenza R4.

Secondo la forma di realizzazione preferita dell'invenzione, ciò viene fato mediante il transistore M3 e il transistore collegato al diodo M7, che forma uno specchio di corrente con il transistore M8 di polarizzazione dell amplificatore differenziale. Il transistore M3 è preferibilmente una replica scalata del transistore M4 ed è controllato anch 'esso dalla tensione di uscita Voutl, Di conseguenza, la corrente che circola nel transistore M3 è una replica scalata della corrente di riferimento Iref che circola nel transistore M4 poiché questi due transistori sono polarizzati esattamente nello stesso modo.

Il transistore M7 è collegato a specchio dì corrente con il transistore M8, che polarizza L amplificatore differenziale con una corrente replica, scalala o amplificata oppure identica (a seconda delle dimensioni dei transistori M3, M4. M7 e M8). delia corrente di riferimento Iref

Convenientemente e come indicato in Figura 2, il transistore M3 è una replica del transistore M4 ridotta delia metà e lo specchio di corrente M7, MS ha un rapporto di specchiaggio pari a 2, cosi che Γ amplificatore differenziale sia polarizzato esattamente con la corrente Iref. Così facendo, i transistori M3 e M7 sono più piccoli dei transistori M4 e MS e quindi occupano una minore area di silicio.

Qualsiasi tecnico esperto riconoscerà che, se si vuole polarizzare l amplificatore differenziale esattamente con la corrente di riferimento Iref, si può anche scegliere un transistore M3 identico al transistore M4 e fare in modo che il rapporto di specchiaggio dello specchio M7, MS sìa pari a 1. Scegliendo diversamente le dimensioni dei transistori M3 e M7. si avrà una corrente di polarizzazione dell’amplificatore differenziale che sarà una replica scalata o amplificata o identica della corrente di riferimento.

li circuito di Figura 2 permette di mantenere la tensione sulla resistenza R4 (Resnet) costantemente uguale alla tensione dì riferimento V bg in tutte le condizioni operative. Infatti, nei due rami dell'amplificatore circolerà praticamente sempre metà della corrente di polarizzazione, perché non è necessario sbilanciare i nodi d'ingresso dell amplificatore differenziale e permettere una differente ripartizione della corrente nei due rami per bilanciare eventuali variazioni della corrente di riferimento.

Per il generatore noto di Figura 1 invece, in caso di differenze dì corrente tra quella generata e quella utilizzata per polarizzare Fampiificatore operazionale, sarà quest'ultimo a ripartire in modo dissimetrìco la corrente di polarizzazione nei due rami, sbilanciando i due nodi di ingresso. Per mantenere i due nodi di ingresso quanto più possibile uguali è necessario utilizzare un amplificatore ad elevato guadagno.

Da quanto detto sopra, si comprende che nello schema proposto Γ amplificatore differenziale non deve necessariamente avere un guadagno elevatissimo affinché la corrente Iref si mantenga costante e la tensione Resnet sia praticamente uguale alla tensione di riferimento V_bg. come invece è richiesto nello schema di Figura 1, ma è possibile utilizzare un comune amplificatore differenziale a basso guadagno. Ciò permette di risolvere i problemi dì stabilità posti dal generatore di corrente noto di Figura 1. per cui non è necessario corredare il generatore di corrente dell’invenzione con una rete di compensazione di Miller.

Il generatore di corrente dell’ invenzione occupa quindi un’area di silicio minore ed evita il peggioramento del PSRR che la presenza delia rete di compensazione di Miller comporta.

Secondo la forma di realizzazione preferita mostrata in Figura 2. si realizza un accoppiamento capacitivo tra il nodo sul quale si produce la tensione di uscita Voutl e la linea a tensione di alimentazione VDD dei generatore. Tale accoppiamento capacitivo viene preferibilmente, ma non necessariamente, realizzato mediante un MOSFET controllato dalla tensione di uscita Voutl, avente il source e il drain cortocircuitati alla linea a tensione di alimentazione. Così facendo, si evita che eventuali variazioni della tensione di gate source del transistore M4 producano modulazione della corrente di riferimento tref.

In Figura 2 è mostrato anche un terzo percorso di corrente in parallelo al primo e al secondo, composto dì transistore M5 identico al transistore M3 e controllato dalla tensione Votiti, collegato in serie ad un transistore M6 connesso a diodo, per generare un’altra replica scalata della corrente dì riferimento. Opzionalmente, per scaricare a massa eventuali componenti ad alla frequenza della tensione Viref, si collega un condensatore C dì filtraggio nel modo indicato in figura.

La Figura 3 mostra un diagramma di Bode del PSRR del generatore di Figura 2. ottenuto con i seguenti valori della resistenza R4. del condensatore C e con MOSFET aventi le seguenti caratteristiche;

MOSFET in tecnologia G.i Spiri:

Dal diagramma di Figura 3 si evince che il PSRR è molto alto e offre un’attenuazione sul rumore presente sull’alimentazione (nel caso peggiore) di circa 59dB alla frequenza di circa 20MHz.

La Figura 4 mostra i diagrammi di Bode in modulo e fase della tensione di uscita del generatore di Figura 2. ottenuti con i valori su indicati. Come si può notare, il generatore presenta un polo doppio alla frequenza di circa 200kllz. che fa si che disturbi ad alta frequenza vengano eliminati quasi del tutto. Inoltre, il generatore di Figura 2 ha margini di ampiezza e di fase rispettivamente di circa 15dB e 70°, sufficienti a garantire la stabilità praticamente in tutte le condizioni di funzionamento.

Riassumendo, il generatore di corrente del'invenzione offre i seguenti vantaggi :

• non presenta problemi di stabilità e quindi permette di ridurre l'occupazione d'area del circuito non essendo necessaria una relè di compensazione;

• riduce fortemente eventuali offset sistematici;

garantisce un elevata reiezione al rumore presente sull'alimentazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Generatore retroazionato di una correrle di riferimento (Iref), comprendente: un amplificatore differenziale ricevente su un ingresso una tensione di riferimento (V bg) e su l’altro ingresso una tensione di retroazione (Resnet) e generante una tensione di uscita (Voutl), un percorso di conduzione (M4. R4) avente una resistenza (R4) su cui si produce detta tensione di retroazione (Resnet) e un transistore (M4), controllato da deta tensione di uscita (Voutf) e forzante in detta resistenza di retroazione (R4) detta corrente di riferimento (iref), caratterizzato dal fatto che comprende un secondo percorso di conduzione (M3, M7) atto a replicare detta corrente di riferimento (Iref) circolante nella resistenza di retroazione (R4), collegato a detto amplificatore in modo da polarizzarlo con una replica ampli ficaia o scalata o identica di detta corrente di riferimento (Irei).
2. Il generatore della rivendicazione 1 in cui detto secondo percorso di conduzione (M3, M7) è collegato Iti parallelo al primo (M4, R4) e comprende un secondo transistore (M3) controdato da detta tensione di uscita (Voutl) e un transistore connesso a diodo (M7) collegato in serie a detto secondo transistore (M3), detto amplificatore differenziale comprendendo un transistore dì polarizzazione (M8) collegato a specchio di corrente con detto transistore connesso a diodo (M7).
3. Il generatore della rivendicazione 1, comprendente un elemento capacitivo (Mll) di filtraggio collegato tra II nodo su cui si produce detta tensione di uscita ( Voutl) e la linea di alimentazione del generatore.
4. Metodo di generazione di una corrente di riferimento (Iref), impiegando un amplificatore differenziale ricevente su un ingresso una tensione di riferimento (V_bg) e su l'altro ingresso una tensione di retroazione (Resnet). generante una tensione di uscita (VoutI) un percorso di conduzione avente una resistenza (R4) su cui si produce detta tensione di retroazione (Resnet), un transistore (M4), controllato da detta tensione dì uscita (VoutlI) e forzante in detta resistenza di retroazione (R4) detta corrente di riferimento (Irei), caratterizzato dal fatto che comprende l'operazione dì polarizzare i transistori di detto amplificatore differenziale con una corrente replica amplificata o scalata o identica della corrente di riferimento (Iref ).