A radiation-hard curvature compensated bandgap voltage reference



In this work a radiation-hardened bandgap voltage reference circuit is presented. The circuit is targeted at precision applications, where trimming can be used to achieve a temperature coefficient smaller than \(5~\mbox{ppm}/\mbox{K}\). Curvature compensation is employed and trimming of the temperature coefficient and the curvature is possible. In order to achieve good performance several techniques were combined. Radiation hardening techniques on layout level were used along with design techniques to improve the robustness against total ionizing dose (TID) and process variations. The radiation hardness requirements were set after preliminary irradiation tests. At the layout level optimized transistors were used while at the topology level, a radiation-hardened trimming scheme was employed to mitigate the impact of leakage currents. Chopping techniques were required to ensure good performance over the process and temperature variations. The bandgap was realized in a standard 180 nm CMOS process and circuit performance was verified using extensive simulations.


bandgap voltage reference chopping radiation hardness curvature compensation total ionizing dose leakage reduction 

Eine strahlungsfeste Curvature-kompensierte Bandgap-Spannungsreferenz


In dieser Arbeit wird eine strahlungsgehärtete Bandgap-Spannungsreferenzschaltung vorgestellt. Die Schaltung ist auf Präzisionsanwendungen ausgelegt, wo Trimming verwendet werden kann, um einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 5 ppm/K zu erreichen. Es wird eine Curvature-Kompensation verwendet, um Trimmen des Temperaturkoeffizienten und der Krümmung zu ermöglichen. Um eine gute Leistung zu erzielen, wurden verschiedene Techniken kombiniert. Strahlungshärtungstechniken auf Layout-Ebene wurden zusammen mit Designtechniken verwendet, um die Robustheit gegen die Gesamtdosis ionisierender Strahlung (Total Ionzing Dose, TID) und Prozessschwankungen zu verbessern. Die Anforderungen an die Strahlungshärte wurden nach ersten Bestrahlungstests festgelegt. Auf der Layout-Ebene wurden optimierte Transistoren verwendet, während auf der Topologie-Ebene ein strahlengehärtetes Trimmschema verwendet wurde, um die Auswirkungen von Leckströmen zu mindern. Chopping war erforderlich, um eine gute Performance trotz Prozess- und Temperaturschwankungen sicherzustellen. Die Bandgap-Referenz wurde in einem Standard-180-nm-CMOS-Prozess realisiert, und die Schaltungsleistung wurde mit umfangreichen Simulationen verifiziert.


Schlüsselwörter: Bandgap-Spannungsreferenz Chopping Strahlungsfestigkeit Curvature-Kompensation Gesamtdosis ionisierender Strahlung TID Leckstrom-Reduktion 


  1. 1.
    Banba, H., Shiga, H., Umezawa, A., Miyaba, T., Tanzawa, T., Atsumi, S., Sakui, K. (1999): A CMOS bandgap reference circuit with sub-1-V operation. IEEE J. Solid-State Circuits, 34(5), 670–674.  https://doi.org/10.1109/4.760378. CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    Bezhenova, V., Michalowska-Forsyth, A. (2016): Total ionizing dose effects on MOS transistors fabricated in 0.18 μm CMOS technology. In 2016 Asia-Pacific international symposium on electromagnetic compatibility (APEMC) (Vol. 01, pp. 366–369).  https://doi.org/10.1109/APEMC.2016.7522739. CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    Bezhenova, V., Michalowska-Forsyth, A. M. (2016): Effects of ionizing radiation on integrated circuits. E&I, Elektrotech. Inf.tech., 133(1), 39–42.  https://doi.org/10.1007/s00502-015-0380-8. CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    Brokaw, A. (1974): A simple three-terminal IC bandgap reference. In 1974 IEEE international solid-state circuits conference. Digest of technical papers (Vol. XVII, pp. 188–189).  https://doi.org/10.1109/ISSCC.1974.1155346. CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    Faccio, F., Cervelli, G. (2005): Radiation-induced edge effects in deep submicron CMOS transistors. IEEE Trans. Nucl. Sci., 52(6), 2413–2420.  https://doi.org/10.1109/TNS.2005.860698. CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Gaillardin, M., Goiffon, V., Girard, S., Martinez, M., Magnan, P., Paillet, P. (2011): Enhanced radiation-induced narrow channel effects in commercial 0.18 μm bulk technology. IEEE Trans. Nucl. Sci., 58(6), 2807–2815.  https://doi.org/10.1109/TNS.2011.2170854. CrossRefGoogle Scholar
  7. 7.
    Li, T., Yang, Y., Liu, T. (2016): Total ionizing dose response of 0.18 UM narrow channel I/O nMOSFETS. In 2016 13th IEEE international conference on solid-state and integrated circuit technology (ICSICT) (pp. 1209–1211).  https://doi.org/10.1109/ICSICT.2016.7998694. Google Scholar
  8. 8.
    Malcovati, P., Maloberti, F., Fiocchi, C., Pruzzi, M. (2001): Curvature-compensated BiCMOS bandgap with 1-V supply voltage. IEEE J. Solid-State Circuits, 36(7), 1076–1081.  https://doi.org/10.1109/4.933463. CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Manghisoni, M., Ratti, L., Re, V., Speziali, V. (2002): Radiation hardness perspectives for the design of analog detector readout circuits in the 0.18-μm CMOS generation. IEEE Trans. Nucl. Sci., 49(6), 2902–2909.  https://doi.org/10.1109/TNS.2002.805413. CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    Nowlin, N., Bailey, J., Turfler, B., Alexander, D. (2004): A total-dose hardening-by-design approach for high speed mixed-signal CMOS integrated circuits. Int. J. High Speed Electron. Syst., 14, 367–378. CrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    Oldham, T., McLean, F. (2003): Total ionizing dose effects in MOS oxides and devices. IEEE Trans. Nucl. Sci., 50(3), 483–499.  https://doi.org/10.1109/TNS.2003.812927. CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Pan, D., Li, H., Wilamowski, B. (2003): A radiation-hard phase-locked loop. In 2003 IEEE international symposium on industrial electronics (Vol. 2, pp. 901–906).  https://doi.org/10.1109/ISIE.2003.1267941. Google Scholar
  13. 13.
    Shetler, K. J., Atkinson, N. M., Holman, W. T., Kauppila, J. S., Loveless, T. D., Witulski, A. F., Bhuva, B. L., Zhang, E. X., Massengill, L. W. (2015): Radiation hardening of voltage references using chopper stabilization. IEEE Trans. Nucl. Sci., 62(6), 3064–3071.  https://doi.org/10.1109/TNS.2015.2499171. CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    Song, B. S., Gray, P. R. (1983): A precision curvature-compensated CMOS bandgap reference. IEEE J. Solid-State Circuits, 18(6), 634–643.  https://doi.org/10.1109/JSSC.1983.1052013. CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    Tsividis, Y. P. (1980): Accurate analysis of temperature effects in I/SUB c/V/SUB BE/ characteristics with application to bandgap reference sources. IEEE J. Solid-State Circuits, 15(6), 1076–1084.  https://doi.org/10.1109/JSSC.1980.1051519. CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    Widlar, R. J. (1971): New developments in IC voltage regulators. IEEE J. Solid-State Circuits, 6(1), 2–7.  https://doi.org/10.1109/JSSC.1971.1050151. CrossRefGoogle Scholar

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Authors and Affiliations

  1. 1.Institute of ElectronicsGraz University of TechnologyGrazAustria

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