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TE 152 Projeto de CIs Analógicos 1
TE 152PROJETO DE CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Oscar C. Gouveia FilhoDepartamento de Engenharia Elétrica
UFPR
URL: www.eletrica.ufpr.br/ogouveia/te152E-mail: ogouveia@eletrica.ufpr.br
TE 152 Projeto de CIs Analógicos 2
OBJETIVOS
● Aprender a projetar CIs analógicos➢ Entender o funcionamento do transistor MOS➢ Aplicar o modelo do transistor MOS no projeto de circuitos➢ Compreender os modelos de simulação de circuitos analógicos➢ Projetar blocos básicos de circuitos analógicos➢ Simular circuitos analógicos➢ Aprender técnicas de layout de Cis analógicos
●Fazer o projeto completo de um CI analógico
TE 152 Projeto de CIs Analógicos 3
PRÉ-REQUISITOS
● TE 046 – Dispositivos Eletrônicos
● TE 054 – Circuitos Eletrônicos Lineares
DESEJÁVEL
● TE 130 – Projeto de CIs Digitais
TE 152 Projeto de CIs Analógicos 4
BIBLIOGRAFIA
●M. C. Schneider and C. Galup-Montoro , “CMOS Analog Design
Using All-Region MOSFET Modeling”, Cambridge, ISBN 978-0-
521-11036-5, 2010.
●B. Razavi. “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, McGraw-
Hill, ISBN 0-07-118839-8, 2001.
●P. E. Allen and D. R. Holberg, "CMOS Analog Circuit Design",
Oxford, ISBN 0-19-511644-5. 2002
pg. web da disciplina: http://www.eletrica.ufpr.br/ogouveia/te152
TE 152 Projeto de CIs Analógicos 5
AVALIAÇÃO● Exercícios de laboratório – 40 %
➢ Devem ser entregues sempre na semana seguinte➢ Devem conter:
● Descrição do projeto● Esquemáticos● Gráficos de simulação● Layout (quando for o caso)
● Projeto em grupos de 2 alunos – 60 % (Os melhores serão enviados para fabricação - MOSIS)
➢ Relatório ● Descrição do circuito projetado, com cálculos● Diagrama em blocos● Esquemático e layout completos● Prova de que funciona (resultados de simulações pós-layout)● Estratégia de teste
➢ Apresentação● 15 min● Slides
TE 152 Projeto de CIs Analógicos 6
CAPÍTULO 1MODELAGEM DO TRANSISTOR MOS
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Balanço de tensões na estrutura capacitiva MOS
VGB
G
B
+ + + + + + + + + + + +
+ + + +Qo
QG
QC
1.1 CAPACITOR MOS
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Balanço de tensões na estrutura capacitiva MOS
MSsoxGBV φ+φ+φ=
ox
oC
ox
Gox C
QQCQ
′′+′
−=′′
=φ
0QQQ oCG =′+′+′
sox
cFBGB C
QVV φ+
′′
−=−
Definindo:
ox
oMSFB C
QV
′′
−φ= tensão de banda plana
C'ox
: capacitância por unidade de área
Q'G,C,o
: densidades de carga de porta, do
semicondutor e efetiva da interface
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Regimes de operação do capacitor MOS
Lacunas + se acumulam na superfície do semicondutor tipo P
0
0Q
VV
s
C
FBGB
<φ>′<
Acumulação
+ + + + + + + + + + + + + +VGB
G
B
- - - - - - - - - - -
+ + + +Qo
QG
QC
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
VGB
G
B
+ + + + + + + + +
+ + + +Qo
QG
-- - -- -- --
QC- -- --
φF = potencial de Fermi ≅ φ t.ln(NA/ni)
NA=concentração de impurezas
ni = concentração intrínseca
φ t = potencial termodinâmico
Fs
C
FBGB
0
0Q
VV
φ<φ<<′>Depleção
Lacunas se afastam da superfície do semicondutor tipo P e cargas das impurezas ficam descobertas -
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
VGB
G
B
+ + + + + + + + +
+ + + +Qo
QG
-- - -- -- --
QC- -- ---- - - - - -
--
Fs
C
FBGB
0Q
VV
φ>φ<′>
Inversão
Lacunas se afastam da superfície do semicondutor tipo P e elétrons se aproximam!
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Carga do semicondutor no capacitor MOS
ox
sA
CqN2
′ε
=γ : fator de corpo
lacunas elétrons livres
cargas fixas
[ ] ( )[ ]tFtFsts 22tstoxC ee1eCQ φφ−φφ−φφφ− −φ+φ+−φ′γ±=′
Acumulação (φS < 0): predomina a parcela das lacunas
Depleção (0 < φS < φF): predomina a parcela das cargas fixas
Inversão (φS > φF ): a parcela dos elétrons livres tem influência
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
BIc QQQ ′+′=′
Inversão
( ) tFseCQ tsoxCφφ−φφ+φ′γ−=′ 2
Duas aproximações:
DEPLEÇÃO
FOLHA DE CARGA
soxB CQ φ′γ−=′
( )( )stsoxItFseCQ φ−φ+φ′γ−=′ φφ−φ 2
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
( )ssFBGBoxI VVCQ φγ−φ−−′−=′
MSsoxGBV φ+φ+φ=
ox
oC
ox
Gox C
QQCQ
′′+′
−=′′
=φ
0QQQ oCG =′+′+′
BIc QQQ ′+′=′
soxB CQ φ′γ−=′
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Modelo Capacitivo de Pequenos Sinais
+
-
VGB∆Φox
+
+
-
-
C’ox
∆QG
CC
∆QC
∆ΦS
+
-
VGB
∆Φox
+
-C’ox
∆QG
∆QB ∆QI
Cb Ci +
-∆ΦS
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
A ddp entre dreno e fonte influencia a distribuição de cargas
Regime normal de operação: INVERSÃO
n+ p+
p-
-- - -- - - - --
- - ---
- - - --- n+
- - - --
VGBVSB VDB
VDB > VSB
1.2 TRANSISTOR MOS
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
VCB(x) (tensão do canal):
desequilíbrio energético no ponto x do canal devido a
VDB e VSB
x
VSBVDB
VCB(0) VCB(x) VCB(L)
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Em inversão e depleção, num ponto x arbitrário:
( ) tCBFs V2tsoxC eCQ φ−φ−φφ+φ′γ−=′
BIc QQQ ′+′=′ densidade de carga da região de depleção
densidade de carga do canal de inversão
Aproximação de DEPLEÇÃO e de FOLHA DE CARGA:
soxB CQ φ′γ−=′
( )sFBGBoxc VVCQ φ−−′−=′Balanço de tensões:
( )ssFBGBoxI VVCQ φγ−φ−−′−=′
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
VDB > VP
VP : tensão de “pinch-off”
Estrangulamento do canal
n+ p+
p-
-- - -- - - - --
- - ---
- - - --- n+
- - - --
VGBVSB VDB
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
A tensão de “pinch-off” VP é o valor de VCB no ponto em que ocorre a transição entre inversão forte e fraca
VCB = VDB >VP
-
--- - - --
-
--
-- ---
--
VCB = VPVCB = VSB < VP
Tensão de “pinch-off”
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
nVV
V 0TGBP
−≅
Tensão de “pinch-off” x tensão de porta
Aproximação útil:
VT0 (tensão de limiar no equilíbrio)
-1,00E+00
0,00E+00
1,00E+00
2,00E+00
3,00E+00
4,00E+00
0,00E+00 1,00E+00 2,00E+00 3,00E+00 4,00E+00 5,00E+00 6,00E+00
tens
ão d
e "p
inch
-off
" (V
)
0
0,5
1
1,5
2
fator de rampa
n≃dVG
dV P
=1γ
2V P2F
n≃dVG
dV P
=1γ
2V P2F
2.0
1.5
1.0
0.5
00 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0
-1.0
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Características volt-ampére de saída (fonte comum)
ID X VDB @ VGB (VSB constante)
1.2 CORRENTE DE DRENO
ID (A)
VSB = 0VGB = 5 V
VGB = 4 V
VGB = 3 V
VGB = 2 V
VGB = 1 V
Região triodo
saturação
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Corrente de dreno em inversão forte e saturação
(características fonte-comum)
0,00E+00 1,00E+00 2,00E+00 3,00E+00 4,00E+00 5,00E+000,00E+00
5,00E-03
1,00E-02
1,50E-02
2,00E-02
0 1 2 3 4 5
VSB = 0
1.0
VDB = VGB
0.020
0.015
0.010
0.005
0
I D A
1.5
2.0
2.5
3.0
0.5
VGB (V)
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Corrente de dreno em inversão fraca e saturação
(características fonte-comum)
1,00E-09
1,00E-08
1,00E-07
1,00E-06
1,00E-05
1,00E-04
1,00E-03
0,00E+00 5,00E-01 1,00E+00 1,50E+00 2,00E+00 2,50E+00 3,00E+00 3,50E+00 4,00E+00 4,50E+00
ID (A) 10-3
10-6
10-9
0 1 2 3 4
VSB = 0
1.0
VDB = VGB
1.5
2.0
2.5
3.0
0.5
VGB (V)
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
I D=μW −Q I' dφs
dxφt
d Q I'
dx deriva difusão
Como a corrente é constante ao longo do canal:
Decomposição da corrente de dreno
I D . L=∫0
LI Ddx= μW [−∫φ s0
φSL
Q I' dφSφt Q ID
' −Q IS' ]
φ s0 L : potencial de superfície na fonte (dreno)
Q IS D
': densidade de carga na fonte (dreno)
µ = mobilidade
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
I D= I F−I R=I V GB ,V SB − I V GB ,V DB
Como: φs0=φs V GB ,V SB φsL=φs V GB ,V DB
Q IS' =Q I
'VGB ,V SB Q ID
' =Q I'V GB ,V DB
Então:
desprezando-se os efeitos de canal curto!
IF = componente de saturação direta = ID para VDB → ∞
IR = componente de saturação reversa = ID para VSB → ∞
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
I(VG,VD)
I(VG,VS)
ID
G
B
D
S
I D= I F− I R= I VG ,V S − I VG ,V D
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Modelo da corrente de dreno baseado nas densidades de carga
d Q I'=nCox
' dφsAplicando a aproximação
I D=μW −Q I' dφs
dxφt
d Q I'
dx
Na eq. diferencial de ID
E integrando ao longo do canal
∫0
LI D dx=μW [−∫Q IS
'
Q ID' Q I
'
nCox' d Q I
'φ t Q IS
'−Q ID
' ]I D=μ
WL [ Q
IS 2'
2nC ox' −
QID2'
2nC ox' φt Q IS
'−Q ID
' ]
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
RFD III −=
( )( ) ( )
φ−
φ
φ⋅µ=tt
'ox
'DIS
tt'ox
'DISt'
oxRF nC
Q
nC
Q
LW
CnI 22
22
′′
φ+′′−′
=−IP
)D(ISt
ox
)D(ISIP)D(Sp Q
Qln
Cn
QQVV
(1)
(2)
(3)
UCCM: “unified charge control model”
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
I S=μn⋅Cox' φ t
2
2WL
Corrente de normalização
i f r =I F R
I S
1 if r −1=−
Q IS D '
nC ox' φ tt
Dividindo a equação (2) por
tem-se:
Correntes normalizadas ou nível de inversão
(4)
(5)
De (5) e (2) obtém-se uma relação entre as correntes de saturação normalizadas e as densidades de carga de inversão
(6)
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Modos de operação do transistor MOS em função das correntes de saturação ei f i r
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
A partir das equações (3) e (6) pode-se escrever uma relação entre as tensões terminais e as correntes de saturação normalizadas
V P−V S D =φt [1i f r −1i p ln 1i f r −1
1i p−1 ]onde pi é o valor da corrente normalizada no pinch-off
Conclusão: com esta formulação é possível expressar todo o modelo do MOSFET em função das correntes normalizadas.
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
( )1 ξ− é chamado nível de saturação
Tensão de Saturação (VDSsat)
VDS tal queq ' IDq' IS
=
V DSsat=t [ ln 11−1i f−1]
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
i d=−gms v sgmg vggmb vbgmd v d
gms=−∂ i D∂ v S
gmg=∂ iD∂ vG
gmd=∂ i D∂ vD
gmb=∂ iD∂vB
gms = gmg + gmb + gmd
vs = vg = vb = vd id = 0
ig = ib = 0
is = -id
ig
ib
is id
vs
vb
vd
vg
1.3 MODELO DE PEQUENOS SINAIS
Transcondutâncias em baixas freqüências:
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
gms d =−∂ I D
∂V S D
=−∂ I F− I R ∂V S D
I F R = f V G ,V S D
gms=−∂ I F∂V S
gmd=−∂ I R
∂V D
Em dispositivos de canal longo:
Na origem, VD=VS , IF = IR → gms = gmd
VS=0
Transcondutâncias de fonte e dreno
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
gmg=∂ I D
∂VG
=∂ I F− I R
∂VG
=∂ I F−I R
∂V P
∂V P
∂V G
gmg=−∂ I F
∂V S
∂ I R
∂V D
1n=gms−gmd
n
0gmg =
gms>> gmd⇒ gmg=gmsn
Transcondutância de porta
saturação
origem (VD = VS)
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Transcondutâncias em função das correntes normalizadas
gms=−∂ I F∂V S
=2I Sφ t
1 i f−1
gmd=−∂ I R
∂V D
=0
gmg=gms
n
saturação
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Relação entre Transcondutância e Corrente
A relação entre transcondutância e corrente é uma medida da eficiência do transistor em transformar corrente (potência) em transcondutância (velocidade).
gmst
I F
=2I S
1 i f 1
1
10
100
1,00E-04 1,00E-03 1,00E-02 1,00E-01 1,00E+00 1,00E+01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05
Seqüência1
Seqüência2
Seqüência3
L = 25 µm (IS = 26 nA)
model
10-4 10-2 100 102 104
102
101
100
L = 2.5 µm (IS = 260 nA)
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Capacitâncias intrínsecas
S
Ggs v
QC
∂∂−=
B
Ggb v
QC
∂∂−= D
Ggd v
QC
∂∂−=
S
Bbs v
QC
∂∂−=
D
Bbd v
QC
∂∂−=
Para respeitar a conservação da carga:
16 capacitâncias definidas por
X
Xxx v
QC
∂∂=
Y
Xxy v
QC
∂∂−=
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Capacitances computed (_____) according to previous Table and (o) from the φS-formulated model (NMOS, tox= 250Å,
NA=2x1016 cm-3.
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
Modelo de pequenos sinais simplificado
TE 152 CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS
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