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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
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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.
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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).
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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
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La 4ta posibilidad ...
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I. “ADC de tiempo continuo” / “Level crossing ADC”
Tsividis: ISSCC 2008, ISCAS 2010
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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III.Amplificador operacional
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III.Amplificador Operacional, Layout
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III. Amplificador rail-to-rail con salida clase AB
Aguirre, Silveira, SBCCI2003
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III. Prototipo en CMOS 0.8m
320m
260m
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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
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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{¿ {¿ {¿ {¿ {¿ ¿
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IV. Corriente subumbral (1)
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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.)
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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
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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
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IV. una mirada al presente … futuroJ. del Alamo, MIT, 2015
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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 …
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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 – ...