High-performance, low-power integrated reference circuits and reference circuits for space applications

Abstract

Στο πραγματικό κόσμο, η φύση όπως και η αντίληψη αλλά και η νόηση είναι κατεξοχήν αναλογικές διαδικασίες. Για να υπάρξει δυνατότητα αλλιλεπίδρασης μεταξύ του πραγματικού και του ψηφιακού κόσμου, είναι απαραίτητο οι ηλεκτρονικές εφαρμογές να διαθέτουν αναλογικά όπως και μικτού σήματος κυκλώματα τόσο στο εμπρόσθιο όσο και στο νωτιαίο άκρο. Αυτές οι κυκλωματικές διατάξεις με τη σειρά τους χρειάζονται μία σταθερά αναφοράς ούτως ώστε να είναι εφικτό να επεξεργάζονται τις αλληλεπιδρούσες πληροφορίες με συνέπεια και αξιοπιστία. Ως εκ τούτου, τα υψηλής απόδοσης και ακρίβειας κυκλώματα αναφοράς είναι εκ των ουκ άνευ για τα πλείστα ηλεκτρονικά συστήματα λόγω της αναγκαιότητας για παροχή αμετάβλητης αναφοράς σε σχέση τη θερμοκρασία, τη τροφοδοσία και τις αποκλίσεις των παραμέτρων κατά τη διαδικασία της χύτευσης. Αυτή η σταθερή αναφορά τροφοδοτεί τις συνιστών κυκλωματικές διατάξεις όπως τελεστικούς ενισχυτές, αισθητήρες, μνήμες φλάς, γραμμικούς ρυθμιστές, ψηφιακούς σε αναλογικούς μετατροπείς, αναλογικούς σε ψηφιακούς μετατροπείς, φίλτρα, και ρυθμιστές. Η ακρίβεια και η ανθεκτικότητα του κυκλώματος αναφοράς είναι αναμφίβολα μείζων σημασίας ούτως ώστε η ακρίβεια των μετέπειτα κυκλωμάτων να έχει σημασία στο επίπεδο του συστήματος. Για παράδειγμα, οι υψηλής ακρίβειας αναλογικοί σε ψηφιακούς μετατροπείς οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως σε συστήματα μετρήσεων, χρειάζονται υψηλής ακρίβειας κυκλώματα αναφοράς ούτως ώστε ο μεγάλος αριθμός ψηφίων ακριβείας που διαθέτουν να έχει αντίκρισμα. Η απόκλιση της τάσης αναφοράς λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας είναι ένα από τα κύρια ζητήματα στο σχεδιασμό κυκλωμάτων αναφοράς. Η επέκταση του εύρους θερμοκρασιών πέρα από τις απαιτήσεις των εμπορικών εφαρμογών και ταυτόχρονα η διατήρηση συγκρίσιμης απόκλισης της τάσης αναφοράς καθίσταται εξαιρετική πρόκληση. Επιπλέον, αρκετές εφαρμογές χρειάζονται κυκλώματα αναφοράς με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και μικρή επιφάνεια ούτως ώστε να καλύψουν τις απαιτήσεις μίας ευρείας γκάμας φορητών εφαρμογών. Έτσι, αρκετά ολοκληρωμένα κυκλώματα για φορητές συσκευές σχεδιάζονται στην υποκατωφλιακή περιοχή, απαιτώντας χαμηλής κατανάλωσης κυκλώματα αναφοράς. Ως εκ τούτου, η ικανοποίηση όλων των προαναφερθέν απαιτήσεων όλων των υψηλής απόδοσης σύγχρονων εφαρμογών είναι μία πρόκληση η οποία χρειάζεται καινοτόμες και επαναστατικές προσεγγίσεις και μεθόδους όπως τις προτεινόμενες σε αυτή τη διατριβή. Επιπλέων, τα μικρό-ηλεκτρονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα για εφαρμογές διαστήματος, τα οποία δεν προστατεύονται από τη γήινη ατμόσφαιρα, βομβαρδίζονται συνεχώς με σωματίδια υψηλής ενέργειας (κοσμική ακτινοβολία, ηλιακά σωματίδια, κ.ά.). Συνεπώς, τα κυκλώματα αναφοράς που προορίζονται για χρήση στο διάστημα (δορυφόροι, διαστημόπλοια, ρομποτικοί εξερευνητές, κ.ά.), επιπλέον των προαναφερθέν επιδόσεων για εμπορικές, βιομηχανικές και στρατιωτικές εφαρμογές, απαιτείται να έχουν ανοχή στην ακτινοβολία. Το πρώτο μέρος της παρούσας διατριβής αφιερώνεται στο σχεδιασμό, χύτευση και χαρακτηρισμό ενός υψηλής απόδοσης διάκενου ζώνης κυκλώματος αναφοράς καθώς και δύο καινοτόμων, συμπληρωματικού ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου, χαμηλής κατανάλωσης ισχύος κυκλωμάτων αναφοράς. Κατά το χαρακτηρισμό τους, τα προτεινόμενα κυκλώματα πετυχαίνουν εξαιρετική απόδοση σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών. Στο δεύτερο μέρος, τα καινοτόμα χαμηλής κατανάλωσης ισχύος κυκλώματα αναφοράς μαζί με κάποια πρότυπα κυκλώματα αναφοράς, επανασχεδιάστηκαν (με επεξεργασία των φυσικών σχεδίων για αύξησης της αντοχής στην ακτινοβολία) για χρήση σε περιβάλλον διαστήματος. Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα που κατασκευάστηκαν πέρασαν εντατικές δοκιμές και ελέγχους καθώς ήταν εκτεθειμένα σε υψηλές δόσεις ακτινοβολίας, όπως ακτίνες γ, ακτίνες Χ, πρωτόνια και βαριά ιόντα (πυρίτιο, κρυπτό και ξένο) ούτως ώστε να εξομοιωθεί το περιβάλλον του διαστήματος. Οι μετρήσεις αυτές σε περιβάλλον ακτινοβολίας καθώς και η σύγκριση μεταξύ της απόδοσης διαφόρων τοπολογιών, αποκαλύπτει την ανοχή στην ακτινοβολία για κάθε τοπολογία. Επίσης βοηθά στην εξαγωγή πολύτιμων πρακτικών και κατευθυντήριων γραμμών για τον σχεδιασμό αναλογικών και μικτού-σήματος μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων για διαστημικές εφαρμογές.

In the real world, nature as well as human perception and cognition are exclusively analog. Therefore, in order to achieve an effective interaction between the real world and the digital world, electronic applications will always require analog and mixed-signal circuitry, both in the front-end as well as in the back-end. This circuitry in turn requires a stable reference so as to be able to process the interactive information in a reliable and consistent manner. Therefore, precision, high performance reference circuits are sine qua non in most electronic systems due to the necessity of supplying a temperature, process and supply voltage insensitive reference to constituent circuits, such as operational amplifiers, sensors, flash memories, LDOs, DACs, ADCs, filters and regulators. The accuracy and robustness of the reference voltage will undoubtedly be of major importance if the resolution of the subsequent circuits are to have any significance at the system level. For example, high precision ADCs, which are widely used in instrumentation and measurement systems, require a high precision voltage reference for the large number of bits in modern processing systems to have any significance. Temperature dependent drift of the reference voltage is one of the key issues in voltage reference and BGR designs. Extending the temperature range beyond the commercial application range, while sustaining similar Temperature Drift performance, becomes extremely challenging. Furthermore, many applications require low-power and low-area voltage references in order to fulfil the requirements of a wide range of batterypowered, miniaturized applications. Indeed, many recent digital and VLSI circuits for power-aware applications are designed in the subthreshold regime, requiring a consistent low-voltage reference voltage for many of their subsequent circuits. Consequently, satisfying all the constraints of modern, highperformance applications, is a major challenge, which in order to be addressed, requires new breakthrough approaches, such as the ones proposed. Furthermore, microelectronic integrated circuits in the space environment, which do not enjoy the protection of the earth’s atmosphere, are constantly bombarded with high energy particles (cosmic rays, solar particle events, etc.) in addition to being exposed to higher levels of background radiation. Consequently voltage reference circuits that are intended for use in space applications (satellites, spaceships, robotic-explorers, etc.) have to be radiation tolerant, in addition to all the above performance requirements of commercial, industrial and military applications. The first part of the thesis is dedicated to the design, fabrication and testing of a novel high-performance bandgap voltage reference, as well as two versions of a novel low-power all-CMOS voltage reference. The proposed circuits achieve excellent measured performance over a wide temperature range. In the second part, the novel low-power voltage references along with some standard reference circuits, were redesigned (with radiation hardened layouts) for the space environment. The post-fabricated chips were then extensively tested while exposed to high-doses of radiation, such as $\gamma$-rays, X-rays, protons and heavy ions (silicon, krypton and xenon), so as to emulate the space environment. These radiation measurements and a comparison between the different topologies reveal the radiation resilience of each topology as well as useful guidelines for designing analog and mixed-signal microelectronics for space.