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Programa CI-Brasil / CT-1 Circuitos Analógicos MOS
Parte I
Prof. Dr. Hamilton Klimach hamilton.klimach@ufrgs.br UFRGS – Escola de Engenharia
Departamento de Eng. Elétrica
http://chasqueweb.ufrgs.br/~hklimach/ ago/2014
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 2
Objetivos
Qualificar o aluno do programa CI-Brasil em temas relacionados aos circuitos analógicos:
MOSFET: comportamento e modelamento
Dispositivos integrados em tecnologia MOS
Topologias básicas
Técnicas de layout
Estratégias de projeto
Cuidados e pontos críticos
Nivelar o grupo de alunos, preparando-o para a etapa de formação do programa
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 3
Bibliografia Recomendada
Adel Sedra, Kenneth Smith, Microeletrônica, Makron Books, 2007, 5ª ed
Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, McGraw-Hill, 2002
Phillip Allen, Douglas Holberg, CMOS Analog Circuit Design, Oxford, 2002, 2ª ed
Paul Gray, Robert Meyer et alli, Analysis and Design of Analog integrated Circuits, John Wiley & Sons, 2001, 4ª ed
Alan Hastings, The Art of Analog Layout, Prentice Hall, 2000
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 4
Sumário
Introdução: porquês, história e mercado
Metodologia de Projeto de CIs
Sinais, Amplificadores e Modelos
Dispositivos em tecnologia MOS
MOSFET: operação e modelo
MOSFET: polarização
MOSFET como amplificador
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
Configurações amplificadoras elementares
Amplificadores compostos
Descasamento entre dispositivos (mismatch)
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Análise vs Síntese
Análise vs Síntese (=Projeto)
Análise: por derivar de um objeto concreto, resulta
em descrição única (características funcionais,
elétricas, mecânicas, etc)
Síntese: uma mesma especificação técnica pode
resultar em diversas implementações diferentes
MUNDO DAS
IDÉIAS MUNDO REAL
SÍNTESE
ANÁLISE
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 6
Por que ANALÓGICO?
Todo circuito eletrônico é intrinsecamente
analógico!
A classificação “digital” de um circuito, resulta da
particularização comportamental (simplificação) de
um circuito analógico.
Na medida em que um circuito “digital” opera
próximo às suas condições-limite (frequência,
tensão ou consumo), estas simplificações falham, e
seu comportamento se aproxima cada vez mais de
um circuito “analógico”.
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 7
Por que ANALÓGICO?
Circuito analógico:
Opera com sinais
“contínuos” no tempo e
na amplitude
Dispositivos operam em
infinitas condições
corrente-tensão
Lida com sinais com
ampla faixa de
magnitudes e
frequências
Circuito digital:
Opera com sinais
“discretos” no tempo e
na amplitude
Dispositivos operam em
limitadas condições
corrente-tensão
Lida com sinais com
magnitudes específicas
e frequências pré-
definidas
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Por que ANALÓGICO?
Existe mercado para projetistas analógicos??? Circuitos VLSI mixed-signal-RF apresentam 90% de partes digitais
e apenas 10% de partes analógicas
O desenvolvimento dos 10% analógicos representa 90% do custo de desenvolvimento do CI!!!
Ferramentas de CAD digital são muito eficientes e completas
Ferramentas de CAD analógico são extremamente limitadas
O projeto de circuitos analógicos ainda é baseado em análise-simulação-experiência-criatividade
Em condições-limite (altas frequências, baixas tensões, baixo consumo, etc), muitas simplificações adotadas na análise de circuitos digitais falham, e estes devem ser vistos como analógicos (barramento de dados a 10Gbit = guia de onda; DRAM é totalmente analógica)
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Por que MOS?
É o processo dominante!
É a tecnologia que apresenta o melhor custo-benefício para os circuitos digitais: Escalabilidade (scaling): pouca reengenharia para evolução de
processo
Alta escala de integração (>1 bilhão de xtores/die!)
Operação com baixo consumo e baixa tensão (<1uA/xtor; <1V)
Alta velocidade (>GHz)
A maior parte dos circuitos é digital: adapta-se as etapas analógicas à tecnologia predominante
BiCMOS é uma possibilidade (+ cara), quando as etapas analógicas necessitam de desempenho ou característica que a tecnologia MOS não permite
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 10
Evolução dos Processos de Fabricação
Comparação entre os dispositivos dos processos
Bipolar e MOS (dados de 1999)
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Evolução dos Processos de Fabricação
Os processos de fabricação de CIs evoluíram rapidamente nos últimos 50 anos
Década 60: Invenção do CI
Desenvolvimento dos CIs Bipolares analógicos e digitais
Surgimento do transistor MOS porta metálica
Década 70: Industrialização de CIs Bipolares (TTL, ampop, etc)
Primeiro CI NMOS (IBM 1970)
Primeira DRAM PMOS (1103 - intel 1970)
Surgimento do MOS porta poli-silício (autoalinhado)
Primeiro processador monolítico PMOS (4004 - intel - 1971)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 12
Evolução dos Processos de Fabricação
Década 80: Avanço do processo NMOS para CIs digitais
Surgimento do CMOS digital (NMOS e PMOS juntos)
CIs alto desempenho: analógico => Bipolar
digital => MOS
Surgimento do BiCMOS para mixed-signal (analógico + digital)
Primeiros ASICs (application-specific integrated circuit)
Década 90: Surgimento do CMOS duplo poço (melhor ajuste de Vt)
Circuitos analógicos CMOS de alto desempenho
Primeiros SoC (System on a Chip)
Processos CMOS específicos para mixed-signal e RF
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Evolução dos Processos de Fabricação
Década 2000:
Processo CMOS submicron (L<400nm) e deep-
submicron (L<100nm)
Substrato SoI (silicon on insulator)
Retorno da porta metálica
Isolantes de alto k (rigidez dielétrica maior)
Limites físicos da tecnologia MOS
Década 2010:
Últimos limites da tecnologia MOS tradicional (32nm).
Processo trigate 22nm (finfet Intel)
Novos processos tecnológicos?
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Evolução da Tecnologia MOS
• MOSFET semiconductor
manufacturing processes
• 10 µm - 1971
• 3 µm - 1975
• 1.5 µm - 1982
• 1 µm - 1985
• 0.80 µm - 1989
• 0.60 µm - 1994
• 0.35 µm - 1995
• 0.25 µm - 1998 (halo)
• 0.18 µm - 1999 (2-well)
• 0.13 µm - 2001 (2 Vt)
• 90 nm - 2003 (strained Si)
• 65 nm - 2005 (high k)
• 45 nm - 2007 (metal gate)
• 32 nm - 2009
• 28 nm - 2010 (TSMC)
• 22 nm - 2011 (3-gate)
• 16 nm - approx. 2013
• 11 nm - approx. 2015
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 15
Evolução da Tecnologia MOS
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Evolução da Tecnologia MOS
Robert Dennard – 1968 – DRAM inventor
Intel’s first product: 1970 DRAM PMOS 1103
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 17
Evolução da Tecnologia MOS
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 18
Evolução da Tecnologia MOS
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Evolução da Tecnologia MOS
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 20
Evolução da Tecnologia MOS
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Evolução da Tecnologia MOS
ITRS 1999 Long-term technology projection
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Evolução da Tecnologia MOS
Power-supply voltage reduction
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Evolução da Tecnologia MOS
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Evolução da Tecnologia MOS
Frequência de transição em função da polarização
(Vgs-Vt; processo 0,13µm)
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Evolução da Tecnologia MOS
ITRS 2011
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Evolução da Tecnologia MOS
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Evolução da Tecnologia MOS
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Evolução da Tecnologia MOS
Intel’s CPU evolution
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Evolução da Tecnologia MOS
Intel’s process evolution
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Evolução da Tecnologia MOS
Intel’s process evolution
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Evolução da Tecnologia MOS
Intel's 45nm high-k metal-gate process - 2008
NMOS PMOS
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Evolução da Tecnologia MOS
Intel's 32nm vs 22nm processes
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Evolução da Tecnologia MOS
Intel's process evolution
Traditional Planar MOSFET New FinFET 3-D MOSFET
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Evolução da Tecnologia MOS
Intel's 22nm tri-gate process - 2011
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Faturamento Mundial
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 36
Faturamento Mundial
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 37
Mercado
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Mercado
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 39
Principais Participantes
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Principais Participantes
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Sumário
Introdução: porquês, história e mercado
Metodologia de Projeto de CIs
Sinais, Amplificadores e Modelos
Dispositivos em tecnologia MOS
MOSFET: operação e modelo
MOSFET: polarização
MOSFET como amplificador
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
Configurações amplificadoras elementares
Amplificadores compostos
Descasamento entre dispositivos (mismatch)
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Projeto de Circuitos Complexos: Estratégia Top-down
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 43
Estratégia de Projeto de Circuitos
Surge uma idéia ou necessidade relacionada a uma
aplicação específica, definindo um produto
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Estratégia de Projeto de Circuitos
A implementação (construção) do produto é feita
através da associação de componentes eletrônicos,
que podem ser discretos ou integrados
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 45
Estratégia de Projeto de Circuitos
A associação dos
componentes é feita através
de placas de circuito
impresso (PCI), que servem
para:
Sustentar os componentes
Interligar eletricamente seus
terminais
Fornecer pontos de entrada e
saída para os circuitos
(conexão externa)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 46
Estratégia de Projeto de Circuitos
Os principais responsáveis
pelo desempenho e
funcionalidades de um
produto são os circuitos
integrados (CI), que podem
ser do tipo:
Digitais
Analógicos
Mistos
Rádio frequência (RF)
Outros (ópticos, sensores,
micromecanismos, etc)
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 47
Implementação de um CI
Na eletrônica, dispositivos,
circuitos e processos
compõem uma tríade
indissociável.
Um Circuito Integrado é
composto de dispositivos
que formam um circuito, o
qual é fabricado em um
processo, e seu desempenho
resulta da correta associação
destes 3 aspectos.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 48
Dispositivo
É o elemento funcional mínimo que estabelece uma determinada relação entre tensões e correntes (VxI)
Tem dois ou mais terminais elétricos
Pode ou não ser linear
Pode ou não depender do tempo (ou frequência)
Exemplos: Transistores
Resistores
Capacitores
Indutores
Diodos
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 49
Dispositivo
ATIVOS
(amplificação)
PASSIVOS
(relação IxV)
Transistor de
Junção Bipolar
BJT
Transistor de
Efeito de Campo
FET
NPN
PNP
de Junção
JFET
de Porta Isolada
MOSFET
Canal N
Canal P
Lineares
Não-Lineares
Não-reativo: R
Reativos: L, C
Diodos
Termistores
Varistores
...
DISPOSITIVOS
ELETRÔNICOS
ELEMENTARES
Retificador
Zener
LED
Fotodiodo PIN
Diodo Tunel
Varicap ...
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 50
Circuito
É a forma como os dispositivos são eletricamente
interligados
A associação do comportamento elétrico de cada
dispositivo com outros resulta em comportamentos
mais complexos (funções)
Estrutura hierárquica: um circuito muito complexo
(sistema) resulta da associação de circuitos-padrão
menos complexos (blocos), que são por sua vez
formados pela associação de dispositivos
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 51
Circuito
Categorias de Circuitos: a aplicação, o mercado, o custo, etc, definem
as classes de componentes que são utilizados na indústria
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 52
Processo
É a estratégia industrial que é usada para se
fabricar um circuito integrado
Os processos são geralmente diferenciados por:
Tipo de transistor (MOS, Bipolar)
Tipos de elementos passivos (capacitores, indutores, etc)
Tamanho mínimo de dispositivos fabricáveis (escala de
integração)
Seleciona-se um processo por:
adequação ao circuito que se deseja
facilidades de desenvolvimento e fabricação
custos (tempo, desenvolvimento, dinheiro, etc)
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 53
Processo
A aplicação, o mercado, o custo, e outras restrições definem o processo
(tecnologia) que será utilizado na produção
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 54
Desenvolvimento do Projeto
Especificações técnicas são criadas, definindo as condições de contorno
de cada circuito (restrições, comportamentos, funções, etc)
Cada especificação dá origem a um circuito, através das mãos de
engenheiros capacitados
O desenvolvimento dos circuitos é feito em conjunto com a definição
dos dispositivos e processos que serão utilizados na sua fabricação
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 55
Projeto – Sistema
As especificações técnicas dão origem a uma visão geral do
projeto, chamada SISTEMA, onde cada parte desempenha
uma função
Analog Data Acquisition System-on-Chip (SOC)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 56
Projeto – Blocos
Cada parte do sistema é concebida na forma de um
DIAGRAMA EM BLOCOS, composto por módulos com
funções específicas
Successive Approximation
Analog-to-Digital Converter
(ADC)
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 57
Projeto – Circuitos
Cada módulo dá origem a um CIRCUITO, que é projetado
conforme as especificações correspondentes
O projetista define a topologia mais adequada, elabora o
circuito e dimensiona seus componentes de forma a atender
suas especificações técnicas Comparator circuit
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 58
Poderosas ferramentas de CAD (computer aided design) auxiliam nas atividades de: edição de esquemático
simulação funcional
simulação elétrica
edição de layout
extração de parasitas
verificação LVS (layout versus schematic)
verificação DRC (design rule check)
O design kit (PDK) fornecido pela foundry relaciona estas atividades ao processo de fabricação
Projeto – Ferramentas
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 59
Projeto – Simulação
Cada circuito é simulado,
usando-se os parâmetros
fornecidos pela foundry
(indústria que fabrica CIs)
para o processo-alvo (design
kit)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 60
Projeto – Modificação
As etapas de projeto, simulação e modificação são repetidas
até que se chegue a um circuito que atenda às especificações
pretendidas
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Projeto – Layout
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 61
o Os componentes do circuito
são desenhados através de
retângulos, representando a
camadas do processo
escolhido, resultando no
layout
o Efeitos parasitas são
extraídos e incluídos no
esquemático para
simulações mais fiéis à
implementação final
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 62
As regras de layout são verificadas através da ferramenta de DRC (design rule check), em busca de violações
O layout e o esquemático são confrontados, através da ferramenta de LVS (layout versus schematic), em busca de inconsistências
Projeto – Verificação
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Projeto – Variabilidade e Robustez
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 63
Análise de variabilidade é feita
através de simulações tipo:
Monte Carlo
Corner
Busca-se garantir a robustez
do circuito, verificando sua
sensibilidade às variações
incontroláveis do processo de
fabricação.
Reflete a produtividade (yield)
de um processo de fabricação
de CIs
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 64
O resultado final é um desenho, em formato eletrônico (GDS – graphic data system), que define as dimensões e a posição de cada retângulo desenhado
Este layout será usado pela foundry na produção das máscaras de cada etapa do processo de fabricação do CI
Projeto – Layout Final
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 65
O layout final é
prototipado
(fabricado em
pequena quantidade)
Os protótipos são
testados (elétrica e
funcionalmente)
Correções são feitas
O produto final
entra em fabricação
Projeto – Protótipo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 66
Na periferia do layout é desenhada uma sequência de áreas
de metal retangulares (pad e padframe), que servirão de
área de soldagem dos fios para conexão externa do circuito
Nos pads podem ser colocadas proteções contra descargas
eletrostáticas, buffers, registradores, amplificadores, etc
Padframe
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 67
Fluxo de Projeto e Validação
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 68
Sumário
Introdução: porquês, história e mercado
Metodologia de Projeto de CIs
Sinais, Amplificadores e Modelos
Dispositivos em tecnologia MOS
MOSFET: operação e modelo
MOSFET: polarização
MOSFET como amplificador
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
Configurações amplificadoras elementares
Amplificadores compostos
Descasamento entre dispositivos (mismatch)
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 69
O que é um SINAL?
Na nossa área, um sinal é a representação de uma
informação através de uma grandeza física
Grandeza: manifestação da natureza que pode ser percebida
direta ou indiretamente com os nossos sentidos
(temperatura, tensão elétrica, peso...)
Informação: forma organizada do conhecimento, que
representa o estado de algo; informação só existe onde há
“variações organizadas” (papel em branco não contém
informação; ruído aleatório não contém informação)
Representação: é a forma como se codifica a informação na
grandeza (variação de cor no papel, intensidade de luz ou
magnitude de tensão elétrica...)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 70
Fonte de sinal elétrico
Modelo de Thévenin Modelo de Norton
Sistema Linear
Invariante no
Tempo
+
Vo
-
+
Vo
-
+
Vo
-
Rs
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 71
Características de um sinal
Onda Senoidal de tensão com amplitude Va e freqüência f = 1/T Hz.
A freqüência angular é ω = 2πf rad/s.
•Frequência/período
•Amplitude
•Fase
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 72
Sinais Analógicos
Faixa de frequências de sinais aplicados aos
sistemas eletrônicos de processamento
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 73
Domínios Tempo x Frequência
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 74
Onda Retangular
Sinal periódico no tempo tem espectro discreto
Sinal periódico contínuo no tempo e em amplitude
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 75
Representação de um sinal
Sinal qualquer contínuo no tempo e em amplitude
Sinal qualquer no tempo tem espectro contínuo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 76
Tempo: contínuo X discreto
A passagem do tempo contínuo para o discreto se
dá através de um processo de amostragem
temporal.
Um sinal discreto no tempo pode ser contínuo em
amplitude. Ex: Filtros a capacitores chaveados.
Tempo contínuo Tempo discreto Amostrador
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 77
Efeito da taxa de amostragem
Quanto maior o
número de amostras,
mais fiel é a
representação do
sinal original
(aumento da taxa de
amostragem).
Pode-se quantizar a
fidelidade ao sinal
original através da
análise espectral do
sinal analógico.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 78
Amplitude: contínuo X discreto
Um sinal discreto, mas contínuo em amplitude, é digitalizado através de um circuito (ADC) que aproxima cada valor da amplitude contínua por um valor digital correspondente .
Cada etapa de discretização produz um sinal apenas aproximado, com um erro intrínseco.
Um sinal digital é ao mesmo tempo discreto no tempo e em amplitude.
Amplitude contínua Amplitude discreta ADC
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 79
Sinais Contínuos e Discretos
Contínuo no tempo e na amplitude (analógico)
Discreto no tempo e contínuo na amplitude (a)
Contínuo no tempo e discreto na amplitude (b)
Discreto no tempo e na amplitude (digital)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 80
Conversão Analógico - Digital
Sinal Analógico Pode assumir qualquer
valor dentro da faixa
dinâmica
(contínuo no tempo e em
amplitude)
Sinal Digital Pode assumir um número
finito de valores dentro da
faixa dinâmica
(discreto no tempo e em
amplitude)
Interface de sinais mistos
ADC / DAC
Sinal Analógico Sinal Digital
ADC
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 81
Conversor Analógico para Digital
Realiza duas operações:
Discretização no tempo (etapa de amostragem)
Discretização em amplitude (etapa de conversão)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 82
Sinal digital
Variação de um sinal digital no tempo.
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 83
Amplificador Linear Ideal
Amplificador de tensão excitado com um sinal vI(t) e conectado a
uma carga resistiva RL
Característica de transferência de um amplificador linear de tensão
com ganho de tensão Av.
iVo vAv
sinal vO RL vi
AMPL
VCC
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 84
Amplificador Real
Há uma parcela na saída que independe da entrada O ganho Av depende do sinal (amplitude e frequência),
da alimentação, da temperatura, da carga, etc A dependência de Av. com a frequência do sinal possui
partes linear e não-linear
,...,,
,...,,,,
CCL
CCLiVV
iVo
VTRVV
VTfRvAA
VvAv
sinal vO RL vi
AMPL
VCC
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 85
Notação de elementos “ativos”
Fonte de Tensão e Corrente
Fonte de Tensão Controlada
por Tensão
Fonte de Corrente Controlada
por Tensão
Fonte de Corrente Controlada
por Corrente
Fonte de Tensão Controlada
por Corrente
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 86
Amplificador de Tensão
(a)Modelo de elétrico de um amplificador de tensão.
(b)Um amplificador de tensão com um sinal de entrada em tensão e uma carga
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 87
Amplificador de Tensão Amplificador de Corrente
Amplificador de Transcondutância Amplificador de Transresistência
Modelos de amplificadores lineares
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 88
Exemplo
Calcule, de forma literal, o valor das tensões ve e vc,
em função dos parâmetros do circuito e do sinal de
entrada vb.
Calcule os ganhos de tensão Ae= ve/vb e Ac = vc/vb.
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 89
Sumário
Introdução: porquês, história e mercado
Metodologia de Projeto de CIs
Sinais, Amplificadores e Modelos
Dispositivos em tecnologia MOS
MOSFET: operação e modelo
MOSFET: polarização
MOSFET como amplificador
MOSFET: modelos p/ pequenos sinais
Configurações amplificadoras elementares
Amplificadores compostos
Descasamento entre dispositivos (mismatch)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 90
Introdução
O que é necessário ou útil fabricar em um processo para se fazer um Circuito Integrado?
Ao menos um tipo de elemento “ativo” (transistor –corrente ou tensão controlada por outra corrente ou tensão => amplificação)
Melhor se suportar elementos ativos complementares (que operam com polaridades inversas: NPN e PNP ou NMOS e PMOS)
Elementos passivos lineares: R, C e L
Elementos não-lineares, sensores, atuadores, transdutores, etc (p. ex. diodo, varicap, termistor, LED, fotodiodo, transformador, termopar, etc)
Conexões intra e entre camadas, eletrodos, blindagens...
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 91
Dispositivos Ativos
Responsáveis pela “amplificação” ou “ganho” de corrente, tensão ou potência de um “sinal”
Não são lineares (embora se possa aproximá-los, sob certas condições)
Exemplos: MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect
transistor) TJB (transistor de junção bipolar) JFET (junction FET) Válvula termo-iônica Derivados e compostos
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 92
MOSFET - estrutura
apresenta 4 terminais, sendo apenas 3 funcionais (geralmente o substrato B é fixado em um potencial)
largura (W) e comprimento (L) definidos pelo projetista (geometria)
Gate isolado galvanicamente; implementado com poli-silício
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 93
MOSFET - CMOS
Tecnologia CMOS: Transistores NMOS e PMOS em um mesmo substrato dispositivos sobre o substrato apresentam o mesmo potencial de corpo
(bulk ou back-gate) dispositivos sobre poço podem ter diferentes potenciais de corpo em tecnologias de duplo-poço, NMOS e PMOS podem ter potenciais
de corpo diferenciados para cada dispositivo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 94
MOSFET - símbolos
Símbolos NMOS
Símbolos PMOS
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 95
MOSFET - Bulk x SOI
SOI: silicon on insulator
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 96
MOSFET - Bulk x SOI
Vantagens SOI:
Menores capacitâncias → maior fo (freq corte)
Menores correntes de fuga → menor consumo
Menor tensão de threshold → menor tensão de alimentação
Desvantagem SOI:
Wafer mais complicado de fabricar → maior custo
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 97
MOSFET - BiCMOS
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 98
Graus de liberdade do projetista:
Geometria do transistor (W e L)
Polarização (bias) do transistor
MOSFET – espaço de projeto
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 99
Outros “graus de liberdade” (limitados):
Processo de fabricação:
Dimensões mínimas (Lmin e Wmin → densidade de integração)
Etapas e dispositivos especiais (duplo-poço, sensores e emissores
ópticos, transistores em óxido espesso para alta tensão, etc)
Tensão de operação
Limite de frequência de operação
Transistores especiais:
duplo ou triplo gate
associações série-paralelo
Geometrias especiais (colméia, hexagonal, serpentina...)
MOSFET – espaço de projeto
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 100
Geometrias especiais:
Menor área e capacitâncias parasitas de D e S
MOSFET – outras geometrias
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 101
Traditional PowerMOS vs HexFET
HexFET: International Rectifier (IRF) patent
MOSFET – outras geometrias
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 102
Traditional PowerMOS vs HexFET
MOSFET – outras geometrias
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 103
Estabelecem uma relação entre tensão e
corrente, linear ou não, sem apresentar
“ganho”
Quando seu comportamento depende da
frequência, são chamados “reativos”
Lineares: resistores, capacitores, indutores
Não-lineares: diodo, varicap, termistor, e
outros
Obs: de fato os dispositivos “lineares” apresentam uma
parcela de comportamento não-linear, dependendo da
forma como são implementados ou polarizados
Dispositivos Passivos
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 104
Resistores - definição
Um resistor é formado por um condutor com certa
resistividade ρ (Ω-m) e determinadas dimensões
(área da secção A e comprimento L):
A
LR
53
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 105
Resistores - definição
No caso de uma folha condutiva, onde ρQ é a
resistividade por quadrado (Ω/□) tem-se:
Portanto, os dois resistores abaixo têm a mesma
resistência
W
L
W
L
tA
LR Q
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 106
Tecnologia MOS padrão:
de poli-silício (mais estáveis; baixa resistividade)
de difusão N ou P (média resistividade)
de poço (maior resistividade)
Tecnologia MOS mixed-signal:
poli-silício especial (alta resistividade e ótima
estabilidade)
Tecnologias especiais:
resistores de filme metálico
Resistores - implementação
54
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 107
Resistores - materiais
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 108
Resistores implementados em (a) difusão P,
(b) poli-silício e (c) poço N.
Resistores - estrutura
55
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 109
Resistores implementados em poço N, difusão N+ e
poli-silício.
Resistores - estrutura
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 110
Resistores de Difusão
56
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 111
Resistores de Poli-silício
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 112
Resistores de Poço
57
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 113
Resistores de Metal
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 114
Layout de resistores de precisão
Resistores - layout
58
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 115
Layout de resistores de precisão
Resistores - layout
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 116
Layout de resistor ajustável na máscara de contato
Resistores - ajustes
59
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 117
Resistor ajustável eletricamente por fusível
Resistores - ajustes
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 118
Implementação dos fusíveis
Resistores - ajustes
60
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 119
Resistores
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 120
Como a espessura de cada camada é constante, é
caracterizado por sua resistência por quadrado
(Ω/□)
Lembrar sempre:
dependência com a tensão dos resistores de silício
dependência térmica
capacitâncias parasitas (contra substrato, outras camadas
e capacitância lateral)
indutâncias parasitas (principalmente em RF)
correntes de “fuga” e acoplamentos (anel de guarda!)
Resistores - cuidados
61
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 121
Capacitores - definição
V
QC
d
AC
Capacitor de placas
planas paralelas:
dt
dvCi
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 122
Tecnologia MOS padrão:
poli-silício / óxido fino / canal invertido (capacitor MOS
em inversão forte; alto valor; não-linear)
poli-silício / óxido fino / difusão acumulada (capacitor
MOS em acumulação; alto valor; média-linearidade)
poli-silício / óxido / metal (baixo valor; quase-linear)
metal / óxido / metal (MOM: baixíssimo valor; linear)
Tecnologia MOS mixed-signal:
poli-silício / óxido fino / poli-silício (médio valor; quase-
linear)
metal / óxido fino / metal (MiM: médio valor; linear)
Capacitores - estrutura
62
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 123
Capacitores implementados em (a) poli-silício contra canal implantado, (b) poli-silício contra poli-silício e (c) capacitor MOS em acumulação.
Capacitores - estrutura
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 124
Capacitor MOS da acumulação à inversão forte.
Capacitor MOS
Acumulação Depl Inversão
63
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 125
Capacitor Poli-poli:
Capacitor poli-poli
Capacitor MoM
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 126
64
Capacitor MiM
Xfab 180nm – 6 metal; high-res poly; 3 well
Necessita etapas adicionais (custo)
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 127
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 128
O uso de uma das placas com dimensão superior a da outra reduz os efeitos de bordas, tornando o valor do capacitor mais preciso, pois somente variações de dimensão da placa superior (A-A’) afetam a capacitância
Capacitores - layout
65
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 129
Fazendo-se a placa menor de forma circular (ou próxima disso), reduz-se os efeitos da capacitância de borda, em relação à de superfície (reduz a relação perímetro/área)
Capacitores - layout
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 130
Layout de capacitores de precisão
Capacitores - layout
66
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 131
Layout de capacitores de precisão
Capacitores - layout
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 132
Layout de capacitores de precisão
Capacitores - layout
67
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 133
Como a espessura de cada camada é constante, é
caracterizado por sua capacitância por área (fF/μm2)
Lembrar sempre:
dependência com a tensão dos capacitores de silício
dependência térmica
capacitâncias parasitas (contra substrato e outras
camadas; capacitância lateral)
resistividade das camadas (crítico em alta frequência)
correntes de “fuga” (anel de guarda!)
perdas por efeito de borda
Capacitores - cuidados
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 134
Valores típicos para resistores e capacitores
em uma tecnologia de 0,8 μm.
Resistores e Capacitores
68
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 135
Indutores - definição
IL
dt
diLv
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 136
Tecnologia MOS padrão:
trilha em espiral utilizando 2 ou mais níveis de metal (perdas devido a acoplamento capacitivo e correntes induzidas no substrato)
pode-se fazer um layout vertical, passando de um nível ao outro através de vias
em raras situações pode-se usar trilhas de poly (resistividade alta do poly reduz fator de qualidade)
Tecnologia MOS para RF:
trilha em espiral utilizando 2 ou mais níveis de metal sobre região de alta resistividade (menores perdas por correntes induzidas)
Indutores - estrutura
69
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 137
Layout:
Indutores - layout
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 138
Perdas por efeito joule (a; resistência do condutor),
por fluxo disperso (b) e por correntes induzidas em
outro condutor (c; efeito eddy)
Indutores - perdas
70
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 139
O empilhamento de
vários indutores aumenta
a indutância efetiva pelo
acoplamento vertical
entre eles (mútua
indutância)
Indutores – acoplamento mútuo
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 140
Indutores
71
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 141
Indutores
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 142
O valor da indutância depende da geometria utilizada, o que faz com que seu cálculo seja complexo (geralmente usa-se geometrias padronizadas ou um simulador de campos eletro-magnéticos)
Lembrar sempre: acoplamento indutivo com outras partes do circuito: indução ou
captação de ruído (cross-talk) → realimentação indesejada
cantos “vivos” favorecem perdas: utilizar retas em 45º ou curvas (raras tecnologias oferecem)
capacitâncias parasitas (contra substrato e outras camadas)
resistividade do condutor (reduz o fator de qualidade - Q)
resistividade dos contatos ou vias
camadas superiores de metal são mais espessas (menos perdas joule) e mais afastadas do substrato (menos perdas eddy)
Indutores - cuidados
72
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 143
A implementação dos dispositivos ativos (transistores) e passivos (R-L-C, diodos, etc), também produz efeitos parasitas, que afetam o comportamento do circuito: acoplamentos elétrico e magnético indesejados
dispositivos semicondutores parasitas indesejados (diodos e transistores)
Estes efeitos devem ser estimados e modelados, para que se possa acrescê-los às simulações elétricas, de forma a se prever seu impacto no circuito que será fabricado
Alguns destes parasitas são estimados pela ferramenta de extração de parasitas
Efeitos Parasitas
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 144
Acoplamento eletro-magnético entre duas camadas
condutivas, que podem representar resistores,
capacitores, indutores ou trilhas de conexão
Acoplamento Parasita
Henry Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd Edition
73
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 145
Acoplamento elétrico:
Através de campo elétrico (diferença de
potencial)
Efeito capacitivo
Magnitude depende
Área de acoplamento entre eletrodos
Distância de acoplamento entre eletrodos
Orientação entre os eletrodos
Permissividade elétrica do meio de acoplamento (ε)
Acoplamento Parasita
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 146
Acoplamento elétrico:
Acoplamento Parasita
74
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 147
Acoplamento magnético:
Através de campo magnético (corrente elétrica)
Efeito indutivo
Magnitude depende
Área de exposição do laço receptor (fluxo concatenado)
Distância de acoplamento entre os laços indutor e o receptor
Orientação dos laços
Permeabilidade magnética do meio de acoplamento (μ)
Acoplamento Parasita
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 148
Acoplamento magnético:
Acoplamento Parasita
75
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 149
Proporção entre a espessura e a
largura das trilhas de metal
Em alguns casos, a capacitância
de acoplamento lateral é superior
à entre as camadas (vertical)
Acoplamento Parasita
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 150
TJB vertical: baixo ganho (devido à base
espessa); coletor ancorado
Transistor Bipolar Parasita
SUBSTRATO P => TJB PNP
76
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 151
Layout
Transistor Bipolar Parasita
BASE EMISSOR
COLETOR
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 152
Ganho de corrente (AMS 0.35)
Transistor Bipolar Parasita
77
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 153
TJB lateral: alto ganho (base delgada);
coletor livre + coletor parasita; polarização
do gate deve garantir estado off do Mosfet
Transistor Bipolar Parasita
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 154
Ganho de corrente (AMS 0.35)
Transistor Bipolar Parasita
78
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 155
Mecanismo indesejado no processo CMOS
Resulta dos TJBs parasitas
Causa um ‘curto-circuito’ entre Vcc e GND
Pode ser destrutivo ou causar uma falha momentânea
(travamento do circuito)
Hoje em dia os mecanismos são conhecidos e
controlados por inovações nos processos de fabricação
Latch-up
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 156
Origem física:
Transistores parasitas vertical (Q1) e lateral (Q2)
formados e interconectados durante a fabricação
dos transistores MOS
Latch-up
79
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 157
O circuito parasita apresenta um laço de
realimentação positiva:
Se corrente for injetada no nó X
V(X) aumenta, aumentando VBE2
Corrente IC2 aumenta
V(Y) diminui, aumentando VBE1
Corrente IC1 aumenta
Latch-up
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 158
Se o ganho de laço positivo for maior
que 1, este processo leva à condução
de Q1 e Q2, provocando uma alta
corrente drenada de Vcc para GND.
O circuito parasita entra em
“travamento” (latched-up)
A alta corrente pode danificar o
circuito, destruindo trilhas
O processo somente interrompe com:
Destruição do circuito
Corte da alimentação
Latch-up
80
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 159
O processo de travamento pode iniciar por:
Injeção de corrente através do emissor de Q1 por efeito
capacitivo, devido a variações rápidas na tensão de dreno
de M1
Condução direta de uma junção fonte-substrato, devido
ao acionamento de cargas indutivas
Latch-up
Condução direta de uma junção fonte-substrato, devido a flutuações na polarização de terra (ground bounce)
Transientes durante o power-on
Sinais em entradas, quando o circuito está em stand-by
Radiação
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 160
Pode-se evitar através de:
Processo: ajustando os níveis de
dopagem das diversas camadas
para garantir que as resistências
parasitas e o ganho dos bipolares
sejam insuficientes para definir um
ganho de laço crítico
Layout: suficiente quantidade de
body-ties para reduzir a resistência
das polarizações de substrato
Circuito: turn-on e turn-off
controlado do circuito; proteção
nas entradas e saídas
Latch-up
81
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 161
Descargas Eletrostáticas - ESD
O surgimento de carga eletrostática ocorre quando 2
materiais são colocados em contato e depois separados.
O efeito de ESD ocorre quando a carga armazenada é
descarregada.
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 162
Descargas Eletrostáticas - ESD
Uma descarga eletrostática provoca correntes
elevadas (1 a 10 A) por um curtíssimo tempo (100
ns) com tempo de subida elevado (1ns)
A potência é baixíssima, mas pode provocar
alteração nos componentes:
Resistor: torna-se menos linear e pode entrar em colapso
Capacitor: pode entrar em curto-circuito devido ao
perfuração do dielétrico
Diodo: alteração na uniformidade da distribuição da
corrente
Transistores: perfurção do dielétrico de porta; latch-up
em bipolares parasitas
82
Descargas Eletrostáticas - ESD
Ação de uma descarga no circuito e seu
desvio através de um circuito de proteção
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 163
Descargas Eletrostáticas - ESD
Proteção nos pinos de entrada/saída
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 164
83
Descargas Eletrostáticas - ESD
Proteção nos pinos de entrada/saída
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 165
Descargas Eletrostáticas - ESD
Proteção nos pinos de entrada/saída
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 166
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Descargas Eletrostáticas - ESD
Proteção nos pinos de entrada/saída
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 167
H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 168
Descargas Eletrostáticas - ESD
Como forma de reduzir o risco devido às descargas
eletrostáticas, os circuitos integrados são embalados
em invólucros condutivos (plástico metalizado).
Estes invólucros são condizentes com a forma dos
CIs, e adequado às máquinas de inserção
automática.
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H. Klimach Circuitos Analógicos MOS 169
Descargas Eletrostáticas - ESD