diseño de circuitos integrados cmos analógicos y mixtos

F. Silveira Univ. de la República Curso CMOS AD 2020 1

Diseño de Circuitos Integrados CMOSAnalógicos y Mixtos Analógico - Digitales

Fernando Silveira

Germán Fierro, Pablo Castro


Objetivos

Formación en diseño de CIs analógicos y mixtos que permita realizar actividades de desarrollo o investigación en el área.– Transistor MOS. Modelos físicos y analíticos adecuados para el

diseño de CIs analógicos. – Op. Amps. CMOS. Configuraciones, diseño.– Técnicas de circuito: capacitores conmutados, modo corriente,

filtros tiempo continuo.– Conversores A/D y D/A.– Temas actuales de investigación, impacto de tecnologías “deep

sub-micron” / nanométricas – Trabajo final.


Programa (40 horas teóricas + 8 laboratorio + trabajo final)

Introducción (2t) Operación y Modelado del transistor MOS para el diseño

analógico. (14t+4l). Bloques básicos de circuitos analógicos y diseño de

amplificadores operacionales CMOS. (6t + 2l). Técnicas de diseño de subsistemas analógicos. (10t)

– capacitores conmutados, filtros tiempo continuo.

Ejemplo de arquitecturas para el diseño de conversores A/D y D/A integrados.(8t+2l)

Trabajo final (40 – 60 hs).


Formas de procesar una señal continua

Continuous-Time Filter

vi(t) vo(t)

SampledData. Filter (SC)

vi(t) vo(t)Cont. Time Antialiasing

Filter

Cont. Time Smoothing

Filter

Digital Filter

vi(t) vo(t)Cont. Time Antialiasing

Filter

Cont. Time Smoothing

FilterD/AA/D

tiempo: continuo

amplitud: continua

tiempo: discreto

amplitud: continua

tiempo: discreto

amplitud: discreta


La 4ta posibilidad ...


I. “ADC de tiempo continuo” / “Level crossing ADC”

Tsividis: ISSCC 2008, ISCAS 2010


I. Conversor A/D Cíclico

Ix=Iini=n-1

Ix=2Ix

Ix>?Iref

bi=1Ix=Ix-Iref

bi=0Ix=Ix

i=?0

i=i-1

End

Ix<IrefIx>Iref

i=0

i<>0


I. Convertidores oversampling y sigma-delta

A(s) A/D

D/A

+-

Decimation

filterxa ya

ud

ua

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

1

2

3

4

5baseband

oversampling

1st order sigma-delta

2nd order sigma -delta

fs/2

Noi

se s

pect

ral d

ensi

ty


II. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 1) Filtro RC- Activo

R y C integrables: hasta k o M (tecnos especiales) y pF Imprecisión en valores absolutos del orden de +/- 30 o 40%. Buena precisión en apareo (matching) de elementos similares.

Filtro pasabajos

vov in

=R2R1

(1+R2 .C . s)VoVin

+

-

C

R1

R2


II. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 2) Filtros a capacitores conmutados

Sistema en tiempo discreto analógico R2 1/(fclk.C2) => 1/R2.C = fclk.C2/C => determinado por

precisión en fclk y apareo entre C2 y C. +++ operación a baja frecuencia, -- consumo operacionales,

-- antialiasing

VoVin

+

-C

R1

R2

VinVo Vin

Vo

+

-

R1

1

+

-

C1

2

21

VinVo

2

+

-

C11

C

2 1

1

C2 22

1


II. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 3) Filtros de tiempo continuo Gm-C

v+

v-

+

-

gm io = gm(v+ - v-)

vinVo

+

-

gm

C

+-

gmVoVin

+

-

C

R1

R2

R=1/gm => 1/R2.C = gm2/C => imprecisión => sintonización

++ operación a baja frecuencia (con técnicas especiales para bajo gm)

-- rango lineal a la entrada de transconductores.


II. Bloques analógicos de procesamiento de señal: 3) Filtros de tiempo MOSFET-C

C

R

C

vinvout vin

vout

VC

VB

C

vin

-vout

VC

VBvout

-vin

VC

C


III.Amplificador operacional


III.Amplificador Operacional, Layout


III. Amplificador rail-to-rail con salida clase AB

Aguirre, Silveira, SBCCI2003


III. Prototipo en CMOS 0.8m

320m

260m


IV. Transistor MOS (canal n)

Ancho W: dimensión en la dirección perpendicular a la pantalla

Zona de deplexiónCanal de inversión

n+n+

G D

B

p Si

S

tox

L

SiO2


IV. Transistor MOS: el modelo más simplificado

=.Cox.(W/L)

→ Saturaciónβ2. (V GS−V T 0)

2,V GS>V T 0 , V DS>V DSAT=V GS−V T 0

→ Zona Lineal o Triodo

β .((V GS−V T 0) .V DS−V DS22 ), V GS>V T 0 ,V DS<V DSAT=V GS−V T 0→ Zona de Corte0,V GS≤V T 0{¿ {¿ {¿ {¿ {¿ ¿


IV. Corriente subumbral (1)


IV. Corriente subumbral (2)Inversión Fuerte (S.I.)

ID(VG-VT)2

Inversión Débil (W.I.)

IDeVG/(n.UT)

UT=k.T/q

n: factor de pendiente

Inversión Moderada (M.I.)


IV. Modelos analíticos válidos en todas las regimenes de inversión.

EKV (Enz, Krummenacher, Vittoz, EPFL, Suiza, AICSP 1995): interpolación matemática entre ecuaciones de inversión débil y fuerte.

ACM (Advanced Compact Model, A. Cunha, C. Galup-Montoro, M. Schneider, UFSC, Brasil, IEEE JSSC 1998): Modelo físico

… o curvas experimentales / de simulación

0 0.5 1 1.5 210

-15

10-10

10-5

VG(V)

ID(A

) Strong InversionApproximate Limit

Weak Inversion Approximate Limit

VT0

Weak Inversion Model

Strong Inversion Model

General Model

Leakage Current


IV. gm/ID vs. VG

gmID

= 1ID

∂ I D/∂VG=∂ log ( ID )

∂V G

gm/ID es la pendiente de la característica ID vs. VG en escala logarítmica

Máximo en WI

igual a 1/(n.UT)

n tip: 1.2 a 1.5


IV. una mirada al presente … futuroJ. del Alamo, MIT, 2015


Bibliografía (principal) Transistor MOS:

– Operation and Modeling of the MOS Transistor by Tsividis, Yannis, McAndrew, Colin, 3rd Ed., Oxford, 2010

Diseño analógico de bloques y op amps:– Systematic Design of Analog CMOS Circuits: Using Pre-Computed

Lookup Tables, Paul G. A. Jespers, Boris Murmann, 1st Edition, Cambridge University Press, 2017

Filtros:– Analog MOS Integrated Circuits for Signal Processing, Roubik Gregorian,

Gabor C. Temes, Wiley 1986– Analog Integrated Circuit Design, David Johns, Kenneth Martin, Wiley

1996

A/D y D/As:– Integrated Converters, Paul Jespers, Oxford, 2001– Data Converters, Franco Maloberti, Springer, 2007

Y otros, y artículos …


Aprobación del curso Trabajo Documentación, Presentación y Defensa del trabajo Examen oral sobre temas del curso. Ejs. de trabajos de ediciones anteriores:

– Diseño de un comparador rail-to-rail de microconsumo– Diseño de un amplificador de instrumentación y filtro pasa-banda – Diseño de un oscilador a cristal de 32kHz de microconsumo– Diseño de un amplificador de RF– Estudio y aplicación de un método migración de tecnologías– Síntesis automática para un amplificador Miller– Diseño de un amplificador con auto-zero– Diseño de un amplificador para señales nerviosas – ...

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