High Precision Self-Calibrating Bandgap Voltage Reference with Curvature Compensation

In a conventional bandgap voltage reference, the output voltage is obtained as the sum of a p-n junction forward voltage and a voltage proportional to absolute temperature, PTAT. The first term is affected by process spreads, while the second is generally less critical since, at the first order, can be controlled by properly components matching involved in the generation of this PTAT term. The proposed architecture aims at self-correcting process variations of the first term. Indeed, if we assume to operate in a controlled-temperature environment, a precise voltage can be generated and used to calibrate the process variations of the p-n junction. To this end, a BJTs operational amplifier with sub-1mV o set has been designed to compare the forward p-n junction voltage with a precise target voltage in order to adjust the first to be equal to the second term. The proposed solution also includes the possibility of compensating the curvature by means of suitable circuits. The nominal output voltage of the designed bandgap reference after calibration is 1.138V (±0.4%) with a temperature variation between 3.7ppm/K and 26ppm/K evaluated from -40°C to 150°C. The architecture has been validate in the Monte Carlo and process corner simulations.

Tensione di Riferimento Bandgap Auto-calibrante Alta Precisione con Correzione di Curvatura. Nei riferimenti di tensione bandgap convenzionali, la tensione di uscita è ottenuta come la somma di una tensione di giunzione p-n polarizzata direttamente e una tensione proporzionale alla temperatura assoluta, PTAT. Il primo termine presenta una variazione dovuto al processo, mentre il secondo è generalmente meno critico in quanto, al prim'ordine, può essere controllato dal matching corretto dei componenti coinvolti nella generazione di questo termine PTAT. L'architettura proposta mira all'auto-calibrazione delle variazioni di processo del primo termine. Infatti, assumendo di operare in un ambiente a temperatura controllata, una tensione precisa può essere generata e usata per calibrare le variazioni di processo della giunzione p-n. A questo scopo, un amplificatore operazionale basato sui BJT con un offset minore di 1mV è stato creato per comparare la tensione di giunzione p-n polarizzata direttamente con una precisa tensione di target per rendere il primo uguale al secondo termine. La soluzione proposta include anche la possibilità di compensazione della curvatura attraverso circuiti adatti. La tensione nominale di output del bandgap progettato dopo la calibrazione è 1.138V (±0.4%) con una variazione in temperatura tra i 3.7ppm/K e i 26ppm/K valutata da -40°C a 150°C. L'architettura è stata convalidata in simulazioni Monte Carlo e con i corner di processo.