[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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:8599 |
| Date | 28 June 2006 |
| Creators | FABIO DE ALMEIDA SALAZAR |
| Contributors | MARLEY MARIA BERNARDES REBUZZI VELLASCO, MARCO AURÉLIO CAVALCANTI PACHECO |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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