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Programa CI-Brasil / CT-1 Circuitos Analógicos MOS

Parte I

Prof. Dr. Hamilton Klimach [email protected] 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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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


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


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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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


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


Evolução dos Processos de Fabricação

Comparação entre os dispositivos dos processos

Bipolar e MOS (dados de 1999)

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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)



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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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?


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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Robert Dennard – 1968 – DRAM inventor

Intel’s first product: 1970 DRAM PMOS 1103

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11



ITRS 1999 Long-term technology projection



Power-supply voltage reduction

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Frequência de transição em função da polarização

(Vgs-Vt; processo 0,13µm)

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ITRS 2011



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Intel’s CPU evolution

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Intel’s process evolution



Intel’s process evolution

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Intel's 45nm high-k metal-gate process - 2008

NMOS PMOS



Intel's 32nm vs 22nm processes

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Intel's process evolution

Traditional Planar MOSFET New FinFET 3-D MOSFET



Intel's 22nm tri-gate process - 2011

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Faturamento Mundial


Faturamento Mundial

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Mercado


Mercado

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Principais Participantes


Principais Participantes

21


Sumário













Projeto de Circuitos Complexos: Estratégia Top-down

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Estratégia de Projeto de Circuitos

Surge uma idéia ou necessidade relacionada a uma

aplicação específica, definindo um produto



A implementação (construção) do produto é feita

através da associação de componentes eletrônicos,

que podem ser discretos ou integrados

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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)



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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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.


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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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 ...


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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Circuito

Categorias de Circuitos: a aplicação, o mercado, o custo, etc, definem

as classes de componentes que são utilizados na indústria


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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Processo

A aplicação, o mercado, o custo, e outras restrições definem o processo

(tecnologia) que será utilizado na produção


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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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)


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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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


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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Projeto – Simulação

Cada circuito é simulado,

usando-se os parâmetros

fornecidos pela foundry

(indústria que fabrica CIs)

para o processo-alvo (design

kit)


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


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


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


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


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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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


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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Fluxo de Projeto e Validação


Sumário












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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...)


Fonte de sinal elétrico

Modelo de Thévenin Modelo de Norton

Sistema Linear

Invariante no

Tempo

+

Vo

-

+

Vo

-

+

Vo

-

Rs

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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


Sinais Analógicos

Faixa de frequências de sinais aplicados aos

sistemas eletrônicos de processamento

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Domínios Tempo x Frequência


Onda Retangular

Sinal periódico no tempo tem espectro discreto

Sinal periódico contínuo no tempo e em amplitude

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Representação de um sinal

Sinal qualquer contínuo no tempo e em amplitude

Sinal qualquer no tempo tem espectro contínuo


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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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.


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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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)


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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Conversor Analógico para Digital

Realiza duas operações:

Discretização no tempo (etapa de amostragem)

Discretização em amplitude (etapa de conversão)


Sinal digital

Variação de um sinal digital no tempo.

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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


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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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


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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Amplificador de Tensão Amplificador de Corrente

Amplificador de Transcondutância Amplificador de Transresistência

Modelos de amplificadores lineares


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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Sumário













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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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


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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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


MOSFET - símbolos

Símbolos NMOS

Símbolos PMOS

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MOSFET - Bulk x SOI

SOI: silicon on insulator


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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MOSFET - BiCMOS


Graus de liberdade do projetista:

Geometria do transistor (W e L)

Polarização (bias) do transistor

MOSFET – espaço de projeto

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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


Geometrias especiais:

Menor área e capacitâncias parasitas de D e S

MOSFET – outras geometrias

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Traditional PowerMOS vs HexFET

HexFET: International Rectifier (IRF) patent



Traditional PowerMOS vs HexFET


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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


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

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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


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

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Resistores - materiais


Resistores implementados em (a) difusão P,

(b) poli-silício e (c) poço N.

Resistores - estrutura

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Resistores implementados em poço N, difusão N+ e

poli-silício.

Resistores - estrutura


Resistores de Difusão

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Resistores de Poli-silício


Resistores de Poço

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Resistores de Metal


Layout de resistores de precisão

Resistores - layout

58


Layout de resistores de precisão

Resistores - layout


Layout de resistor ajustável na máscara de contato

Resistores - ajustes

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Resistor ajustável eletricamente por fusível



Implementação dos fusíveis


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Resistores


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

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Capacitores - definição

V

QC

d

AC

Capacitor de placas

planas paralelas:

dt

dvCi



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

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Capacitores implementados em (a) poli-silício contra canal implantado, (b) poli-silício contra poli-silício e (c) capacitor MOS em acumulação.

Capacitores - estrutura


Capacitor MOS da acumulação à inversão forte.

Capacitor MOS

Acumulação Depl Inversão

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Capacitor Poli-poli:

Capacitor poli-poli

Capacitor MoM


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Capacitor MiM

Xfab 180nm – 6 metal; high-res poly; 3 well

Necessita etapas adicionais (custo)



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

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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)



Layout de capacitores de precisão


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67


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


Valores típicos para resistores e capacitores

em uma tecnologia de 0,8 μm.

Resistores e Capacitores

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Indutores - definição

IL

dt

diLv



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

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Layout:

Indutores - layout


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


O empilhamento de

vários indutores aumenta

a indutância efetiva pelo

acoplamento vertical

entre eles (mútua

indutância)

Indutores – acoplamento mútuo


Indutores

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Indutores


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

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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


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

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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 elétrico:


74


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 magnético:


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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)



TJB vertical: baixo ganho (devido à base

espessa); coletor ancorado

Transistor Bipolar Parasita

SUBSTRATO P => TJB PNP

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Layout


BASE EMISSOR

COLETOR


Ganho de corrente (AMS 0.35)


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TJB lateral: alto ganho (base delgada);

coletor livre + coletor parasita; polarização

do gate deve garantir estado off do Mosfet



Ganho de corrente (AMS 0.35)


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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


Origem física:

Transistores parasitas vertical (Q1) e lateral (Q2)

formados e interconectados durante a fabricação

dos transistores MOS

Latch-up

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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


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

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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


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

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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.



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

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Ação de uma descarga no circuito e seu

desvio através de um circuito de proteção



Proteção nos pinos de entrada/saída


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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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Programa CI-Brasil / CT-1 Circuitos Analógicos MOS Parte I€¦ · (tecnologia) que será...

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