[pt] A indústria eletrônica tem apresentado uma demanda crescente pela fabricação de aparelhos onde o baixo consumo de energia é uma das características mais importantes. Como exemplo, temos os telefones celulares, os computadores pessoais portáteis e os implantes biomédicos. Este trabalho investiga o projeto e o layout de células analógicas de consumo mil vezes menos (micropower) que os circuitos convencionais. As células desenvolvidas tanto podem ser usadas em aplicações analógicas quanto em circuitos híbridos formados por blocos digitais e blocos analógicos em um mesmo circuito integrado (mixed-mode). O trabalho desenvolvido envolveu 7 etapas principais: o estudo da operação do transistor MOS polarizado na região de inversão fraca comparado com a região de inversão forte; o estudo de estruturas básicas com dois transitores operando na inversão fraca; a conversão dos parâmetros de fabricante para a simulação das células; estudo de células analógicas a e seu projeto para baixo consumo; simulação das células e comparação com células comerciais; estudo da variação dos parâmetros de fabricação; estudo de técnicas de layout para células analógicas. Inicialmente o trabalho apresenta um resumo do estado da arte em projetos de circuitos integrados analógicos CMOS e, introduz o conceito da operação do transistor MOS em inversão fraca (weak inversion). O estudo de estruturas básicas, tais como espelhos de corrente, é o passo seguinte para a compreensão das limitações da operação dos transistores na fraca inversão e a análise de suas vantagens e desvantagens. A conversão dos parâmetros de processos fornecido pelo fabricante, do SPICE nível 2 para o SMASH nível 5, é um passo importante para uma simulação mais fiel do transistor real operando na região de inversão fraca, usando o novo modelo EKV (desenvolvido pela Escola Politécnica Federal de Lausanne - EPFL). O desenvolvimento dos blocos funcionais analógicas, tais como amplificadores operacionais, tece como estratégia de trabalho partir de especificações de células existentes em bibliotecas de fabricantes comerciais com tecnologia reconhecida sobre o assunto, e tentar reproduzir as suas características através do projeto de células dedicadas. Foram avaliadas algumas topologias de uma mesma célula com o objetivo de realizar a comparação entre elas. As medidas de desempenho das células para a comparação com as comerciais, foram realizadas com o uso de arquivos hierárquicos de simulação, visando a redução da quantidade de arquivos. Foi realizado um estudo de como a variação do processo de fabricação pode afetar o desempenho das células projetadas por análise de Montecarlo. São mostradas técnicas de layout de células analógicas que visam reduzir o descasamento entre transistores, faro este que poderia levar o circuito a apresentar comportamento diferente daquele especificado inicialmente. Os resultados alcançados demonstraram ser possível o desenvolvimento de células analógicas de baixo consumo. Através do uso da técnica de operação do transistor na região de inversão fraca, obteve-se desempenho comparável aos circuitos comerciais, tornando possível a criação de uma biblioteca de células analógicas mais ampla sem a necessidade da dependência do know-how dos fabricantes comerciais. / [en] Low power supply consumption hás become one of the main issue in eletronic industry for many product áreas such as cellular telephones, portable personal computers and biomedical implants. The aim of this work is to investigate the main drawbacks involved in the design of CMOS analog cells biased in weak inversion. Biasing a cell in weak inversion makes it possible to archieve a power consumption that is one thousandth lower than common analog cells designed to operate in strong inversion. This work has involved the following subject: a study of models for MOS transistors operating in weak inversion and strong inversion regions; a methodology to convert LEVEL 2 Spice model to EKV model; study of basic analog cell blocks suitable to low power mixed mode IC design; design methodology for low power analog cells; comparison between these cells and some commercial ones; study of analog layout techniques. Firstly, this work reviews the state-of-art of analog cell design including MOS transistor operation and modeling in the weak inversion region. Secondly we discuss the operation of some basic structures, such as current mirors and differential amplifiers, biased in weak inversion. This study helped us to understand the benefits and drawbacks involved in working with MOS transistors biased in this region. Next we describe a methodology to convert process parameters suppied by the foundries, usually LEVEL 2 Spice model, to the EKV model that was developed by EPFL (Swiss Federal Institute of Technology - Lausanne). Since EKV model is continuous in all regions, we expect to archieve better agreement between simulation results and manufacturing results. In order to test and validate the design methodology we chose to develop first a set of cells for this foundry comforming to a foundry with expertise in low voltage analog cell design. These tests were carried ou through standardized hierarchical simulation files in order to decrease the total number of simulatiom files required. Finally, we present some techniques for the layout of analog cells that improve circuit sensibility to transistor mismatching and process variation. The work shows us that it is feasible to design low power analog circuit using MOS transistors operating in weak inversion region. The methodology was even able to synthesize cells that are similar in performance to commercial ones. Therefore, it is possible to develop a çow power analog cell library which is suitable to designing application specific integrated circuits.

[pt] Diante dos constantes avanços da tecnologia os dispositivos eletrônicos vêm passando por um processo de miniaturização, ao mesmo tempo em que sustentam um aumento de potência. Essa tendência se mostra um desafio para seu gerenciamento térmico, uma vez que os sistemas de resfriamento típicos para eletrônicos utilizam ar como fluido de trabalho, e o seu baixo coeficiente de transferência de calor limita sua capacidade de atender às necessidades térmicas da indústria atual. Nesse sentido, o resfriamento bifásico tem sido considerado uma solução promissora para fornecer resfriamento adequado para dispositivos eletrônicos. Circuitos de termossifão bifásico combinam a tecnologia de resfriamento bifásico com sua inerente natureza passiva, já que o sistema não requer uma bomba para fornecer circulação para seu fluido de trabalho, graças às forças da gravidade e de empuxo. Um dissipador de calor de microcanais, localizado bem em cima do dispositivo eletrônico, dissipa o calor gerado. Isto o torna uma solução de baixo custo e energia. Além disso, ter um circuito de termossifão operando com um refrigerante de baixo GWP, como o R-1234yf, resulta em baixo impacto para o meio ambiente, uma vez que é um refrigerante ecologicamente correto e o sistema tem baixo ou nenhum consumo de energia. Este trabalho fornece um modelo numérico detalhado para a simulação de um circuito de termossifão bifásico, operando em condições de regime permanente. O circuito compreende um evaporador (chip e dissipador de calor de micro-aletas), um riser, um condensador refrigerado a água de tubo duplo e um downcomer. Equações fundamentais e constitutivas foram estabelecidas para cada componente. Um método numérico de diferenças finitas, 1-D para o escoamento do fluido por todos os componentes do sistema, e 2-D para a condução de calor no chip e evaporador foi empregado. O modelo foi validado com dados experimentais para o refrigerante R134a, mostrando uma discrepância em relação ao fluxo de massa em torno de 6 por cento, para quando o sistema operava sob regime dominado pela gravidade. A pressão de entrada do evaporador prevista apresentou um erro relativo máximo de 4,8 por cento quando comparada aos resultados experimentais. Além disso, a maior discrepância da temperatura do chip foi inferior a 1 grau C. Simulações foram realizadas para apresentar uma comparação de desempenho entre o R134a e seu substituto ecologicamente correto, R1234yf. Os resultados mostraram que quando o sistema operava com R134a, ele trabalhava com uma pressão de entrada no evaporador mais alta, assim como, com um fluxo de massa mais alto. Por causa disso, o R134a foi capaz de manter a temperatura do chip mais baixa do que o R1234yf. No entanto, essa diferença na temperatura do chip foi levemente inferior a 1 grau C, mostrando o R1234yf como comparável em desempenho ao R134a. Além disso, o fator de segurança da operação do sistema foi avaliado para ambos os refrigerantes, e para um fluxo de calor máximo do chip de 33,1 W/cm2, R1234yf mostrou um fator de segurança acima de 3. Isso significa que o circuito de termossifão pode operar com segurança abaixo do ponto crítico de fluxo de calor. Dada a investigação sobre a comparação de desempenho dos refrigerantes R134a e R1234yf, os resultados apontaram o R1234yf como um excelente substituto ecologicamente correto para o R134a, para operação em um circuito de termossifão bifásico. / [en] Given the constant advances in technology, electronic devices have been going through a process of miniaturization while sustaining an increase in power. This trend proves to be a challenge for thermal management since commonly electronic cooling systems are air-based, so that the low heat transfer coefficient of air limits its capacity to keep up with the thermal needs of today s industry. In this respect, two-phase cooling has been regarded as a promising solution to provide adequate cooling for electronic devices. Two-phase thermosyphon loops combine the technology of two-phase cooling with its inherent passive nature, as the system does not require a pump to provide circulation for its working fluid, thanks to gravity and buoyancy forces. A micro-channel heat sink located right on top of the electronic device dissipates the heat generated. This makes for an energy and cost-efficient solution. Moreover, having a thermosyphon loop operating with a low GWP refrigerant such as R-1234yf results in low impact for the environment since it is an environmentally friendly refrigerant, and the system has low to none energy consumption. This work provides a detailed numerical model for the simulation of a two-phase thermosyphon loop operating under steady-state conditions. The loop comprises an evaporator (chip and micro-fin heat sink), a riser, a tube-in-tube water-cooled condenser and a downcomer. Fundamental and constitutive equations were established for each component. A finite-difference method, 1-D for the flow throughout the thermoysphon s components and 2-D for the heat conduction in the evaporator and chip, was employed. The model was validated against experimental data for refrigerant R134a, showing a mass flux discrepancy of around 6 percent for when the system operated under gravity dominant regime. The predicted evaporator inlet pressure showed a maximum relative error of 4.8 percent when compared to the experimental results. Also, the chip temperature s largest discrepancy was lower than 1 C degree. Simulations were performed to present a performance comparison between R134a and its environmentally friendly substitute, R1234yf. Results showed that when the system operated with R134a, it yielded a higher evaporator inlet pressure as well as a higher mass flux. Because of that, R134a was able to keep the chip temperature lower than R1234yf. Yet, that difference in chip temperature was slightly lower than 1 C degree, showing R1234yf as comparable in performance to R134a. In addition, the safety factor of the system s operation was evaluated for both refrigerants, and for a maximum chip heat flux of 33.1 W/cm2, R1234yf showed a safety factor above 3. This means the thermosyphon loop can operate safely under the critical heat flux. Given the investigation on the performance comparison of refrigerants R134a and R1234yf, results pointed to R1234yf being a great environmentally friendly substitute for R134a for the two-phase thermosyphon loop.