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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: [email protected]


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


PRÉ-REQUISITOS

● TE 046 – Dispositivos Eletrônicos

● TE 054 – Circuitos Eletrônicos Lineares

DESEJÁVEL

● TE 130 – Projeto de CIs Digitais


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


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


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


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


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


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 -


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!


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


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


( )ssFBGBoxI VVCQ φγ−φ−−′−=′

MSsoxGBV φ+φ+φ=

ox

oC

ox

Gox C

QQCQ

′′+′

−=′′

=φ

0QQQ oCG =′+′+′

BIc QQQ ′+′=′



Modelo Capacitivo de Pequenos Sinais

+

-

VGB∆Φox

+

+

-

-

C’ox

∆QG

CC

∆QC

∆ΦS

+

-

VGB

∆Φox

+

-C’ox

∆QG

∆QB ∆QI

Cb Ci +

-∆ΦS


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


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)


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:


( )sFBGBoxc VVCQ φ−−′−=′Balanço de tensões:

( )ssFBGBoxI VVCQ φγ−φ−−′−=′


VDB > VP

VP : tensão de “pinch-off”

Estrangulamento do canal

n+ p+

p-

-- - -- - - - --

- - ---

- - - --- n+

- - - --

VGBVSB VDB


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”


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


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


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)


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)


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


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 → ∞


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


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

' ]


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”


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)


Modos de operação do transistor MOS em função das correntes de saturação ei f i r


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.


( )1 ξ− é chamado nível de saturação

Tensão de Saturação (VDSsat)

VDS tal queq ' IDq' IS

=

V DSsat=t [ ln 11−1i f−1]


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:


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


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)


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


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)


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

∂∂−=


Capacitances computed (_____) according to previous Table and (o) from the φS-formulated model (NMOS, tox= 250Å,

NA=2x1016 cm-3.


Modelo de pequenos sinais simplificado

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