[en] DESIGN OF LOW POWER ANALOG CMOS CELLS FROM TRANSISTORS BIAS IN WEAK INVERSION - FABIO DE ALMEIDA SALAZAR (2006)
[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.