Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica / Made available in DSpace on 2012-10-22T12:24:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 237658.pdf: 2022259 bytes, checksum: 9be37e928b78385096008eef80d90552 (MD5) / This work proposes a system, of very low power consumption, able to monitor the remaining charge of the batteries used in implantable electronic devices through voltage and impedance analysis. The system contains a sample-and-hold circuit and a Gm-C active filter. This filter is composed by OTA amplifiers using series and parallel association of transistors. Besides, the system contains level-shift circuits that condition the signal for the range of the A/D converter (0 V to 1.25 V). Each block was developed using analog techniques and the ACM MOSFET model, which allows for a good trade-off between area end power consumption. The system functionality was verified through simulation and through prototypes implemented on the TSMC 0.35 ìm and AMS 0.35 ìm technologies. O presente trabalho propõe um sistema de baixíssimo consumo, capaz de monitorar a carga remanescente de baterias utilizadas em dispositivos eletrônicos implantáveis através da medida da tensão e da impedância das mesmas. O sistema é composto por um circuito sample and hold seguido por um filtro ativo Gm-C. Tal filtro é composto por amplificadores OTA conciliando técnicas de associação série e paralelo de transistores. Além destes, o sistema possui deslocadores de nível que condicionam a excursão do sinal para uma faixa de conversão do conversor A/D de 0 V a 1,25 V. Cada bloco foi desenvolvido conciliando técnicas analógicas às equações do modelo ACM do MOSFET, possibilitando assim, através de equações simples, estabelecer um bom compromisso entre área e consumo adequados ao projeto. A funcionalidade do sistema bem como de cada bloco foi testada sob forma de simulação e comprovada através de protótipos implementados nas tecnologias TSMC 0.35 µm e AMS 0.35 µm.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T07:12:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 189149.pdf: 2300431 bytes, checksum: 57f0705a080b39ed3c1fbc8dc0027c90 (MD5) / O mercado e a necessidade de se implementar equipamentos portáteis têm pressionado a indústria a produzir circuitos com tensões de alimentação muito baixas. A tendência envolve a ambos circuitos, digitais e analógicos. Para o projeto de circuitos analógicos, uma das mais sérias limitações que surgem quando a tensão de alimentação é reduzida é a dificuldade de se ligar as chaves MOS em toda a excursão de tensão. A técnica de MOSFET chaveado (SM), recentemente introduzida, é uma técnica de dados amostrados útil para operação à baixa tensão de alimentação visto que todas as chaves em circuitos SM operam à tensão constante dentro da faixa de condução do MOSFET. Além disso, a técnica SM não necessita nem de processos dedicados nem de esquemas de multiplicação de clock. O bloco básico de construção da técnica SM é um sample-and-hold (célula de meio atraso) para baixa tensão composto de um amplificador operacional e transistores MOS operando na região triodo. A programação dos circuitos SM, a qual é executada através de divisores de corrente totalmente com MOSFETs (MOCDs), é simples e não requer muita área de silício. Neste trabalho, é desenvolvida uma análise matemática da estrutura básica SM, a célula de meio atraso, e esquemas de compensação de offset são discutidos. A célula é implementada com tecnologia AMS 0,35mm e resultados de testes são apresentados. Um filtro programável SM para baixa tensão também é implementado, em um processo CMOS de 1,6mm. O filtro contém um conversor v/i, uma célula de meio atraso, uma seção biquadrática (contendo compensação de offset por auto-zero e MOCDs para programação) e um conversor v/i.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Doutor em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor José Alfredo Ribeiro da Silva Matos / O trabalho de investigação foi apoiado pelo Programa PRAXIS XXI - Bolsa Ciência/BD/2537/93

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação. / Made available in DSpace on 2013-07-16T00:34:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 222845.pdf: 2856309 bytes, checksum: b0d18acabf0dff1e8916770d019df389 (MD5) / Apresenta-se uma ferramenta gráfica chamada MOSVIEW, com a finalidade de auxiliar no projeto de circuitos analógicos MOS ao nível do transistor, além da possibilidade do uso da ferramenta de forma didática em disciplinas de projeto de circuitos integrados analógicos. A ferramenta foi desenvolvida em C++ Builder 6, com base no modelo ACM, cujas equações são válidas em todas as regiões de operação do transistor. MOSVIEW permite que o usuário visualize e explore o espaço de projeto dos circuitos analógicos básicos.

Neste trabalho é apresentado o projeto de uma fonte de tensão de referência, um circuito capaz de prover uma tensão invariante com a temperatura, a tensão de alimentação e o processo de fabricação. São apresentadas: as equações de funcionamento, os passos para a elaboração da uma topologia final, o dimensionamento dos parâmetros de projeto com o uso de algoritmos metaheurísticos, o desenho do layout e os resultados e análises finais. O projeto emprega a tecnologia CMOS de 0,35 &#956m com quatro camadas de metal da Austria Micro Systems, em que os VTH0\'s dos transistores NMOS e PMOS, modelo típico, são, respectivamente, 0,5 V e -0,7 V. O circuito de fonte de referência é do tipo bandgap e faz a soma ponderada de correntes proporcionais a temperatura para atingir uma tensão de referência. Obteve-se um circuito típico com 0,5 V de tensão de referência, coeficiente de temperatura de 15 ppm/ºC em intervalo de temperatura de -10 a 90ºC em 1,0 V de tensão de alimentação, regulação de linha de 263 ppm/V em um intervalo de variação de 1,0 V a 2,5 V em 27ºC, 2,7 &#956A de corrente consumida e área de 0,11 mm². A introdução de um bloco de ajuste de coeficiente de temperatura, com ajuste digital, permite que mais que 90% dos circuitos produzidos tenham um coeficiente de temperatura de até 30 ppm/ºC. As medidas realizadas no trabalho são provenientes de simulações elétricas realizadas com o ELDO e modelos BSIM3v3. / In this work is presented a design of a reference voltage source, circuits capable to provide an invariant voltage regardless of the temperature, power supply and fabrication process. It\'s presented: the operation equations, the steps to elaborate a final topology, the project parameter sizing using a metaheuristic algorithm, the drawing of the layout, and the final results and its analysis. The design employs an AMS-CMOS 0.35 &#956m technology with four metal levels, whose NMOS and PMOS VTH0\'s for a typical circuit is 0.5 V and -0.7 V. The reference voltage circuit is bandgap and performs a weighted summation of proportional temperature currents to achieve the voltage reference. A typical circuit was obtained with 0.5 V reference voltage, 15 ppm/ºC temperature coefficient in the temperature range of -10 to 90ºC under 1.0 V power supply, 263 ppm/V line regulation in the range of 1.0 V to 2.5 V under 27ºC, 2.7 &#956A power consumption in a 0.11 mm² area. For a projected circuit its also possible to ensure a temperate coefficient under 30 ppm/ºC, for more than 95% of the produced circuits, employing an adjustment block which ought to be digitally calibrated for each circuit.

Geradores de referência, ou fontes de tensão de referência, são largamente empregados na composição de diversos circuitos eletrônicos, pois são responsáveis por gerar e manter uma tensão constante para o restante do circuito. Como se trata de um circuito analógico e que possui diversas condições a serem atendidas (baixo coeficiente de temperatura, baixa tensão de alimentação, baixa regulação de linha, dentre outras), sua complexidade é alta e isso se reflete no tempo/dificuldade de um projeto. Com a finalidade de aumentar a qualidade do circuito e diminuir o tempo de projeto, foi estudado o projeto de fontes de tensão de referência através da aplicação de metaheurísticas, que são métodos de otimização utilizados em problemas que não possuem solução analítica. As metaheurísticas aplicadas foram: algoritmos genéticos, simulated annealing e pattern search, todos disponíveis em uma toolbox de otimização do Matlab. A fonte projetada, utilizando uma topologia proposta neste trabalho, fornece uma tensão de referência de 0,302 V em 300 K a uma tensão mínima de operação de 1,01 V. O coeficiente de temperatura, no intervalo de -10°C a 90°C, é de 19 ppm/°C a 1,01 V e a regulação de linha, com tensão de alimentação no intervalo de 1,01 V a 2,5 V, é de 81 ppm/V a 300 K. O consumo de potência é de 4,2 \'mü\'W, também em 300 K e a 1,01 V e a área é de 0,061 \'MM POT.2\'. Como resultado, mostrou-se a eficiência da utilização destes métodos no dimensionamento de elementos do circuito escolhido e foi obtida uma fonte de tensão de referência que atende aos critérios estabelecidos e é superior quanto ao critério de regulação de linha, quando comparada a outras fontes da literatura. Neste trabalho, foi utilizada a tecnologia CMOS de 0,35 \'mü\'m da Austria Micro Systems (AMS). / Voltage references are widely employed to compose electronic circuits, since they are responsible for generating and maintaining a constant voltage to the rest of the circuit. As it is an analog circuit and it has several conditions to fulfill (low temperature coefficient, low supply voltage, low line regulation, among others), its complexity is high, which reflects at the time/difficulties of a design. In order to increase the quality of the circuit and to minimize the design time, it was studied voltage references design using metaheuristics, which are optimization methods used in problems with no analytical solution. The applied metaheuristics were: genetic algorithms, simulated annealing and pattern search, they are all available in an optimization toolbox at Matlab. The designed voltage reference, applying a topology proposed in this work, provides a reference voltage of 0.302 V at 300 K at a minimum supply voltage of 1.01 V. The temperature coefficient, from -10°C to 90°C, is 19 ppm/°C at 1.01 V and the line regulation, using a supply voltage from 1.01 V to 2.5 V, is 81 ppm/V at 300 K. The power consumption is 4.2 W also at 300 K and 1.01 V and the area is 0.061 \'MM POT.2\'. As a result, it was shown that those methods are efficient in sizing the devices of the chosen topology and it was obtained a voltage reference that fulfills all established criteria and that is superior at the line regulation criterion, when compared to other voltage reference of the literature. In this work, the 0.35-\'mü\'m CMOS technology provided by Austria Micro Systems (AMS) was used.

Nesta dissertação, é apresentado o projeto de uma interface que permite o controle e monitoramento de cargas de alta tensão alimentadas na faixa de 8,5V a 35V. A interface fornece duas funções básicas: a primeira é permitir que circuitos alimentados no domínio dos 5V controlem o chaveamento de transistores de potência PMOS com uma tensão de porta 5V abaixo da tensão de alimentação; a segunda é realizar o monitoramento de sobrecorrentes na carga de alta tensão, alertando, com um sinal de baixa tensão, estas ocorrências. A interface foi projetada e fabricada no processo CMOS XC06 - 0,6µm da XFAB, com a inclusão de módulos que permitem o uso de transistores de alta tensão. Como parte da solução proposta, foi analisado, implementado e caracterizado um regulador de tensão flutuante que gera uma tensão de saída 5V abaixo da tensão de alimentação. A área de silício do regulador é de 599µm x 330µm, e as medidas da tensão de saída gerada apresentam variações menores que 10%. Também foi projetado e integrado no mesmo circuito integrado um sensor para medir o nível da tensão flutuante do regulador e comunicar seu estado com um sinal de 5V, este bloco ocupa uma área de 599µm x µm. Este sensor apresentou um desvio padrão de 7% nas medidas da sua tensão limiar. A interface foi integrada em um sensor de proximidade indutivo, permitindo o chaveamento de uma carga de 430pF a 1,2kHz em toda a faixa de alimentação. / This work presents the design of an interface that allow to control and monitoring high voltage loads in the range of 8,5V to 35V. The interface provides two main features, the first one is to allow low voltage circuits supplied with 5V to control the switching of power PMOS transistors with a gate voltage 5V bellow the supply voltage. The second one is monitoring overcurrents on the high voltage load alerting with a low voltage signal these occurences. The interface was designed and fabricated on the CMOS XC06 - 0,6µm process from XFAB with the inclusion of modules that allow the use of high voltage transistors. As part of the proposed solution it was analyzed, implemented and measured a floating voltage regulator wich provides an output voltage 5V bellow the supply voltage. The area of the regulator is 599µm x 330µm and the measures of the output voltage presents variations under the 10%. Also it was designed and integrates in the same integrated circuit a sensor to measure the output level of the floating regulator and communicate the state of this output with a 5V signal, this block occupies an area of 599µm x 579µm. This sensor presented a 7% standard desviation on the measured voltage threashold. The interface was integrated on an inductive proximity sensor allowing the switching of a 430pF load at 1,2kHz for the entire all supply range.

Este trabalho consiste no projeto de uma Fonte de Tensão de Referência CMOS com coeficiente de temperatura inferior a 50 ppm/ºC. Esta fonte deve ser aplicada em receptores/transmissores de radio freqüência mas pode também ser utilizada em qualquer sistema analógico. A tecnologia utilizada foi a CMOS 0,35 µm da AMS (Austria Micro Systems) com quatro níveis de metal e dois de silício policristalino. A fonte de tensão implementada é do tipo Bandgap e utiliza dispositivos MOS em inversão fraca, um transistor bipolar parasitário e resistores de silício policristalino de alta resistividade. No circuito é produzida uma tensão PTAT (Proportional to Absolute Temperature) que somada a tensão base-emissor do transistor bipolar resulta numa tensão de saída independente da temperatura. O projeto e o desenho do layout desta fonte foram realizados. A partir do layout foram gerados netlists para simulações realizadas utilizando o software ELDO com o modelo MOS BSIM3v3, nas condições de operação típicas, worst speed e worst power. Através destas simulações verificou-se que o circuito atendia as especificações iniciais. O valor da tensão de saída, no entanto, apesar de estar próximo do valor desejado de 1,25 V, variou com as condições de simulação empregadas. Dois circuitos Bandgap diferentes foram enviados para fabricação: um circuito com resistores integrados (dimensões de 220 µm x 76 µm) e outro sem os resistores (dimensões de 190 µm x 36 µm). Este último permite, com o ajuste do valor dos resistores colocados externamente, modificar, se necessário, as condições de operação do circuito. Os circuitos foram caracterizados obtendo-se para o circuito com resistores integrados um coeficiente de temperatura inferior à 40 ppm/ºC, taxa de variação da saída com a tensão de alimentação próxima de 19 mV/V. O valor da tensão de saída a 50 ºC esteve entre 1,1835 V e 1,2559 V (1,25 V ± 67 mV). Para o circuito sem os resistores integrados, obteve-se um coeficiente de temperatura que chegou à 90 ppm/ºC, taxa de variação da saída com a tensão de alimentação inferior à 28 mV/V. O valor da tensão de saída a 50 ºC esteve entre 1,247 V e 1,2588 V (1,25 V ± 9 mV). A faixa de temperatura utilizada para as medidas foi de -30 ºC a 100 ºC. O consumo de corrente dos circuitos é de aproximadamente 14 µA e seu funcionamento é garantido para tensões de alimentação tão baixas quanto 1,8 V. / This work consists in the design of a CMOS Voltage Reference Source with a temperature coefficient inferior to 50 ppm/ºC. This voltage source should be applied in radio frequency receptor/transmitter but can be also applied in any analog system. The technology employed in the design is the CMOS 0.35 µm from the AMS (Austria Micro Systems) with four metal levels and two poly-silicon levels. The implemented voltage source is of the Bandgap type and uses MOS devices in weak inversion, a parasitic bipolar transistor, and resistors made with high resistive poly-silicon. The circuit produces a PTAT (Proportional to Absolute Temperature) voltage that is added to the bipolar transistor base-emitter voltage to build an output voltage independent of temperature. The project and the drawing of the layout of the circuit had been carried out. The netlists of the circuit were generated from the layout and they were employed in simulations done with the software ELDO and the BSIM3v3 MOS model, in typical, worst speed, and worst power conditions. Through these simulations it was verified that the circuit reached the initial specifications. The value of the output voltage, however, although being next to the desired value of 1.25 V, varied with the employed simulation conditions. Two different Bandgap circuits had been sent to the foundry: a circuit with integrated resistors (dimensions of 220 µm x 76 µm) and another one without the resistors (dimensions of 190 µm x 36 µm). This last one allows, with the adjustment of external resistor values, modifying, if necessary, the operation conditions of the circuit. The circuits had been characterized and the circuit with integrated resistors has a temperature coefficient inferior to 40 ppm/ºC, an output variation rate with the power supply close to 19 mV/V. The output voltage value at 50 ºC is between 1.1835 V and 1.2559 V (1.25 V ± 67 mV). The circuit without the resistors has a temperature coefficient as high as 90 ppm/ºC, an output variation rate with the power supply inferior to 28 mV/V. The output voltage value at 50 ºC is between 1.247 V and 1.2588 V (1.25 V ± 9 mV). The temperature range used in the measurements was from -30 ºC to 100 ºC. The current consumption of the circuits is approximately of 14 µA, and they operate with power supply voltages as low as 1.8 V.

Esse trabalho apresenta um estudo sobre os efeitos de radiação em circuitos analógicos de baixa e ultra baixa potência e tensão, identificando as fragilidades destes circuitos (e das respectivas técnicas de projeto) quando aplicados em ambientes radioativos, como, por exemplo, os circuitos em satélites, e em equipamentos de instalações nucleares. Foram realizados estudos de caso, via simulação elétrica utilizando o software HSPICE, considerando os efeitos de degradação elétrica correspondentes a doses de radiação acumulada de até 500krad(Si), além de eventos singulares considerando circuitos de baixa tensão e potência projetados para a tecnologia IBM (GF) de 130nm. Pôde-se observar que o uso de transistores de óxido mais fino, apesar de afetar negativamente o consumo estático, é recomendado para as aplicações estudadas, devido a menor sensibilidade à radiação. Ainda, foi discutido o aumento dos caminhos de fuga de corrente devido ao uso de layout distribuído. Possibilidades e estratégias de mitigação foram discutidas. Por fim, obteve-se um conjunto de sugestões e informações para auxiliar o projetista de circuitos de baixo consumo a obter soluções robustas à radiação. / This work studies the radiation effects in low-power and ultra-low power analog circuits, identifying the fragility of such circuits (and associated design techniques) when employed in radioactive environments, as for example, in satellites and nuclear facilities. Case studies were carried out using HSPICE software for electrical simulation of cumulative radiation effects, corresponding to doses up to 500krad(Si), as well as for single events simulation. We showed that, the use of thin oxide (core) MOSFETS, though increasing the static consumption, is recommended for the studied applications, because they are less sensitive to radiation. Then, we discussed the increase of current leakage paths by the distributed layout style. Mitigation strategies were also discussed. Finally, we obtained a set of suggestions and information to guide the designers of low power analog circuits towards obtaining radiation robust solutions.

Nesta dissertação, é apresentado o projeto de uma interface que permite o controle e monitoramento de cargas de alta tensão alimentadas na faixa de 8,5V a 35V. A interface fornece duas funções básicas: a primeira é permitir que circuitos alimentados no domínio dos 5V controlem o chaveamento de transistores de potência PMOS com uma tensão de porta 5V abaixo da tensão de alimentação; a segunda é realizar o monitoramento de sobrecorrentes na carga de alta tensão, alertando, com um sinal de baixa tensão, estas ocorrências. A interface foi projetada e fabricada no processo CMOS XC06 - 0,6µm da XFAB, com a inclusão de módulos que permitem o uso de transistores de alta tensão. Como parte da solução proposta, foi analisado, implementado e caracterizado um regulador de tensão flutuante que gera uma tensão de saída 5V abaixo da tensão de alimentação. A área de silício do regulador é de 599µm x 330µm, e as medidas da tensão de saída gerada apresentam variações menores que 10%. Também foi projetado e integrado no mesmo circuito integrado um sensor para medir o nível da tensão flutuante do regulador e comunicar seu estado com um sinal de 5V, este bloco ocupa uma área de 599µm x µm. Este sensor apresentou um desvio padrão de 7% nas medidas da sua tensão limiar. A interface foi integrada em um sensor de proximidade indutivo, permitindo o chaveamento de uma carga de 430pF a 1,2kHz em toda a faixa de alimentação. / This work presents the design of an interface that allow to control and monitoring high voltage loads in the range of 8,5V to 35V. The interface provides two main features, the first one is to allow low voltage circuits supplied with 5V to control the switching of power PMOS transistors with a gate voltage 5V bellow the supply voltage. The second one is monitoring overcurrents on the high voltage load alerting with a low voltage signal these occurences. The interface was designed and fabricated on the CMOS XC06 - 0,6µm process from XFAB with the inclusion of modules that allow the use of high voltage transistors. As part of the proposed solution it was analyzed, implemented and measured a floating voltage regulator wich provides an output voltage 5V bellow the supply voltage. The area of the regulator is 599µm x 330µm and the measures of the output voltage presents variations under the 10%. Also it was designed and integrates in the same integrated circuit a sensor to measure the output level of the floating regulator and communicate the state of this output with a 5V signal, this block occupies an area of 599µm x 579µm. This sensor presented a 7% standard desviation on the measured voltage threashold. The interface was integrated on an inductive proximity sensor allowing the switching of a 430pF load at 1,2kHz for the entire all supply range.