1 ENG04061 – Circuitos Eletrônicos Integrados Um pouco de tudo... Prof. Dr. Hamilton Klimach Departamento de Eng. Elétrica - UFRGS 2/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach Sumário o Introdução o O Semicondutor o O Diodo de Junção e o Capacitor MOS o O Transistor MOS o O Amplificador e outros circuitos o Desafios Futuros o Conclusões
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ENG04061 Circuitos Eletrônicos Integrados Um pouco de tudohklimach/E061/E061_1b_Intro.pdf · IBM 7094 transistorizado - 1959 Rádios Regency e Sony 1954 . 9 ENG04061 –H. Klimach
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Transcript
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ENG04061 – Circuitos Eletrônicos Integrados
Um pouco de tudo...
Prof. Dr. Hamilton Klimach
Departamento de Eng. Elétrica - UFRGS
2/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Sumário
o Introdução
o O Semicondutor
o O Diodo de Junção e o Capacitor MOS
o O Transistor MOS
o O Amplificador e outros circuitos
o Desafios Futuros
o Conclusões
2
3/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Introdução – Um pouco de História...
4/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
o Séc. XVIII e XIX (Revolução Industrial): a tecnologia (manipulação da
energia através das máquinas) se torna peça central na economia das
nações.
Introdução – Máquinas
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5/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Introdução – Eletricidade
o Séc. XIX: eletricidade começa a ser utilizada pelo homem
NIKOLA
TESLA
THOMAS
EDISON
6/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Introdução – Telegrafia
o Séc. XIX: invenção do telégrafo (comunicação à distância rudimentar)
4
7/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Introdução – Longos cabos
o Séc. XIX: cabo transatlântico para telegrafia entre EUA e Inglaterra
8/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Introdução – Telefone
o Final do séc. XIX: comunicação elétrica à distância
o Sinais enviados por fios: eletricidade – telefone
Graham
Bell
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9/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
o Final do séc. XIX e início do séc. XX: comunicação elétrica à distância
o Sinais enviados pelo espaço: ondas eletro-magnéticas – rádio
o Amplificação de sinais elétricos: nova necessidade
Introdução – Rádio
Roberto
Landel de
Moura
Heinrich
Hetz Guglielmo
Marconi
10/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Introdução – Nascimento da Eletrônica
o 1906: John Flemming e Lee DeForest inventam a válvula termo-iônica,
o primeiro dispositivo capaz de amplificar sinais elétricos
53/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Sumário
o Introdução
o O Semicondutor
o O Diodo de Junção e o Capacitor MOS
o O Transistor MOS
o O Amplificador e outros circuitos
o Desafios Futuros
o Conclusões
54/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - depleção
o Pequeno potencial aplicado ao capacitor MOS (VGS < Vt)
•o potencial VGS aplicado entre
porta e substrato:
• afasta lacunas livres da
interface óxido-substrato
• atrai elétrons livres para a
interface óxido-substrato
•surge uma região de depleção
entre a interface e o substrato,
ligando as regiões de depleção
das junções
•elétrons começam a se acumular
junto à interface
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55/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - depleção
o Pequeno potencial aplicado ao capacitor MOS (VGB < Vt)
56/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - inversão
o Aumento do potencial aplicado (VGS > Vt): condição de inversão
•em ‘inversão’ há o
surgimento de um “canal”
tipo N induzido entre dreno e
fonte
•o valor de VGS em que ocorre
a inversão é chamado de
potencial de threshold (Vt)
29
57/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - equacionamento
substrato do *Fermi de potencialln
térmicopotencial/
corpo defator 2
inversão de e depleção de carga de densidades
:
2
iAtF
t
OXASi
IB
StSOXSI
SOXSB
OX
SISBSMSOXSMSGB
nN
qkT
CNq
QQ
onde
eCQ
CQ
C
QQV
tFS
(*)Potencial de Fermi:
potencial eletrostático
devido ao contato entre
silício intrínseco (puro) e
extrínseco (dopado)
58/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - cargas de inversão e depleção
Carga de depleção
(fixa)
Carga de inversão
(móvel)
Carga total no Gate
Potencial de superfície
(potencial eletrostático
na interface óxido-
semicondutor)
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59/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – threshold e cargas de inversão
VTO: tensão de threshold
segundo modelo clássico (SI)
0TGBOXI VVCQ
60/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - região ôhmica
o Operação do Canal Induzido no início da Região Ôhmica
Gcanal(VGS)
DSB
D
DDB
S
B
VDS
ID
31
61/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - região ôhmica
o Operação do Canal Induzido no início da Região Ôhmica
00
móveis cargasmóveis cargas
SBVTGSOXnIncanalcanal
Insub
canal
subcanal
VVCL
WQ
L
W
L
WcG
c
Q
WLc
Q
Vol
Q
Condutividade (σ) e condutância (G) iniciais do canal na região ôhmica:
62/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - região ôhmica
Resistor linear controlado por vGS
Condição: vDS deve ser mantido pequeno (vDS << vGS – Vt )
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63/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – assimetria do canal
o Dependência de Rcanal em VDS
• Aumentando vDS: o nível de
inversão varia ao longo do canal,
como resultado da diferença de
potencial entre a posição no
canal e o terminal de porta
• O canal assume uma
distribuição gradual.
• A resistência do canal aumenta
com o aumento de vDS.
•o comportamento iD x vDS passa
a ser não-linear
(vGS é mantido constante em um
valor tal que vGS – vDS > Vt ))
64/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – assimetria do canal
o Dependência de Rcanal em VDS
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65/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – assimetria do canal
o quando se polariza os terminais dreno-fonte (VDS>0), ocorre a
deformação das camadas de inversão e de depleção, de forma que a
soma ΔQ’G = ΔQ’I(x)+ ΔQ’B(x) se mantenha sempre constante ao longo
do eixo ‘x’
carga de
inversão
Q’I(x)
VGB>VT
e
VDS>0
carga de depleção
Q’B(x)
S
Substrato p
G
D
∆x
0 x
L
66/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - equacionamento
x'' em inversão de carga de densidade
canal do segmento um de acondutânci
canal no dreno de corrente
TchGOXI
Ich
chchD
VxVVCxQ
xQx
WxG
xGxVIGVI
carga de
inversão
Q’I(x)
VGB>VT
e
VDS>0
carga de depleção
Q’B(x)
S
Substrato p
G
D
∆x
0 x
L
-ΔVch+ ID
34
67/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - equacionamento
0VV supondo2
BS
2
000
DDTGOXD
VV
Vchchch
VV
VTGOX
Lx
xD
chTchGOXD
TchGOXchD
VVVVCWLI
dVxVVdVVCWdxI
VVxVVCWxI
VxVVCx
WVI
Dch
ch
Dch
ch
2
2
2
1
off-pinch
:saturação de Região
2
:ôhmica Região
TGOXD
TGDDDTGOXD
VVL
WCI
VVVVVVV
L
WCI
Obs.: este equacionamento é extremamente simplificado, não levando em conta a
variação da contribuição da carga de depleção na definição do potencial do canal.
68/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – condição de saturação
o Curva completa iD x vDS : saturação do canal
vGS > Vt
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69/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - Modelo Simples
o NMOS: curva iD x vDS em inversão forte (SI)
2'
2
1DSDStGSnD VVVV
L
WkI
tGSDS VVV Triodo:
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV Saturação:
oxnn Ck '
k’n (W/L) = 1.0 mA/V2
70/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET - Modelo Simples
o NMOS: iD x vGS em saturação e inversão forte (SI)
Vt = 1 V, k’n W/L = 1.0 mA/V2
2'
2
1tGSnD VV
L
WkI
tGSDS VVV Saturação:
36
71/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Analogia Hidráulica
o Imagine dois tanques de água com o mesmo nível, separados por uma
comporta
Fonte (S)
Porta (G)
Dreno (D)
VS = 0 VG = 0 VD = 0
72/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Analogia Hidráulica
o Enquanto a comporta não passar o limiar dos tanques, estes não estão
conectados: vazão de água igual a zero
Fonte (S)
Porta (G)
Dreno (D)
VS = 0 VD = 0 VG = VT
37
73/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Analogia Hidráulica
o Comporta ultrapassa os limiares: os tanques estão conectados. A vazão
é zero se os tanques têm o mesmo nível
Fonte (S)
Porta (G)
Dreno (D)
VS = 0 VD = 0 VG > VT
74/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Analogia Hidráulica
o Se houver diferença de nível entre os tanques, a água flui, e a vazão é
função da altura da comporta e do desnível dos tanques
Fonte (S)
Porta (G)
Dreno (D)
VS = 0 VD > 0 VG > VT
38
75/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Analogia Hidráulica
o Se o nível do tanque D baixar mais, ele pode ultrapassar o nível da
comporta
Fonte (S)
Porta (G)
Dreno (D)
VS = 0 VD = (VG-VT) VG > VT
76/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Analogia Hidráulica
o Quando o nível do tanque D ultrapassar o da comporta, a vazão não
mais depende deste tanque, apenas do nível da comporta
Fonte (S)
Porta (G)
Dreno (D)
VS = 0 VD > (VG-VT) VG > VT
39
77/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Regiões de Operação
78/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – NMOS e PMOS
n+ n+
+ + + +
- - - - p+ p+
+ + + +
- - - -
substrato p substrato n
nMOSFET pMOSFET
5 V
40
79/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Simplificação: operação como chave
o Em circuitos digitais, o MOSFET pode ser representado por uma chave
VG < VT
VG > VT
80/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Simplificação: operação como chave
nMOSFET (VS < VD) pMOSFET (VS > VD)
S
D
G
VG= 0 VG= VDD VG= VDD VG= 0
S
D
G
41
81/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Sumário
o Introdução
o O Semicondutor
o O Diodo de Junção e o Capacitor MOS
o O Transistor MOS
o O Amplificador e outros circuitos
o Desafios Futuros
o Conclusões
82/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
• Amplificador de tensão excitado
com um sinal vi(t) e conectado a
uma carga ZL
• Característica de transferência de um amplificador linear com ganho de tensão Av
inVout vAv
fonte de sinal
vO
carga
vi
AMPL
VCC
ZL
Amplificador Ideal
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83/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Modelos de Amplificadores Lineares
o Formas de representação de um amplificador linear
o A implementação de um amplificador necessita de uma fonte
controlada
Amplificador de Tensão Amplificador de Corrente
Amplificador de Transcondutância Amplificador de Transresistência
84/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
MOSFET – Fonte de corrente controlada por VG
o Em saturação a corrente de dreno independe da tensão de dreno, e o
MOSFET se comporta como uma fonte de corrente controlada
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85/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Amplificador MOS
o Sob certa condição de polarização, o MOSFET opera como uma fonte
de corrente controlada por tensão, permitindo a construção de uma
das representações amplificadoras
MOSFET IMPEDÂNCIA vin
(vg, vs ou vb) id
vout
(vd ou vs)
86/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Amplificador MOS
Carga: Passiva Carga: diodo MOS Carga: Ativa
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87/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Configurações Amplificadoras
Configurações elementares MOS:
o Fonte comum (G: in ; D: out; S: Gnd)
o Dreno comum (G: in; S: out; D: Gnd)
o Porta comum (S: in; D: out; G: Gnd)
Obs: terminal de substrato (B) geralmente não é usado como
‘funcional’ (embora seja uma possível ‘entrada’)
Malha que controla iD:
“entrada”
Malha onde circula iD:
“saída” in
out
in/out
88/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Configurações Amplificadoras
Fonte-comum
T Hi no u t VVV
Triodo
Cort
e
(Sub-T
hre
shold
)
Sat
Menor RD
Maior RD
in
outV
V
VA
45
89/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Configurações Amplificadoras
Dreno-comum
T Hi no u t VVV
Menor Rs
Rs infinito: Av=1
in
outV
V
VA
90/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Configurações Amplificadoras
Porta-comum
Corte Sat
Triodo
in
outV
V
VA
46
91/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Configurações Amplificadoras Compostas
o Amplificador cascode (FC+PC)
o Amplificador diferencial (2xFC)
o Par complementar (2xDC)
o Push-pull (2xFC)
o Espelho de corrente (1 carga-diodo + FC)
92/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Amplificador Operacional
o Amplificador Operacional CMOS de 2 Estágios (Miller)
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93/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Amplificador Operacional
o Amplificador Operacional CMOS Folded-Cascode com Buffer de Saída
94/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Referência de Tensão
o 0.9V, 5nW, 9ppm/C Resistorless Sub-Bandgap Voltage Reference in
0.18um CMOS
IEEE LasCas 2014 -
Oscar Mattia, Hamilton
Klimach and Sergio Bampi
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95/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Amplificador Biomédico
o High Linearity and Large Output Swing Sub-Hz Pre-amplifier for Portable
Biomedical Applications
SBCCI 2014 – Moacir
Monteiro, Hamilton
Klimach and Sergio Bampi
96/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Receptor de RF CMOS
o A 2.4 GHz CMOS Transceiver Single-chip RF Front-end for ISM-band
Wireless Communications
49
97/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Mixer de RF CMOS
o Integrated resistive mixer for balun use - 6.3 – 8.2 dB between
frequencies of 2 – 8 GHz
98/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Sumário
o Introdução
o O Semicondutor
o O Diodo de Junção e o Capacitor MOS
o O Transistor MOS
o O Amplificador e outros circuitos
o Desafios Futuros
o Conclusões
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99/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Desafios Futuros – ULV and ULP
Ultra low-voltage for Energy Harvesting
100/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Desafios Futuros – ULV and ULP
Ultra low-voltage for Energy Harvesting
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101/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Desafios Futuros – ULV and ULP
Ultra low-voltage for Energy Harvesting
LCI – UFSC:
Carlos Galup-Montoro
Marcio Schneider
Fernando Rangel
102/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Desafios Futuros – FinFET for Analog ?
Electronic Design Magazine – Jan. 18, 2013
16nm/14nm FinFETs: Enabling The New Electronics Frontier
Chi-Ping Hsu – Cadence Senior Vice President
…
Like any new technology, FinFETs pose some design challenges, especially for custom/analog designers. One is sometimes called "width quantization" and it stems from the fact that FinFETs work best as regular structures placed on a grid. Standard cell designers can change the width of a planar transistor, but they cannot change the height or width of a fin, so the best way to increase drive strength is to add more fins. This must be done in discrete increments - you can't add three-quarters of a fin.
Another challenge stems from the 3D topology itself, which increases the number of resistance (R) and capacitance (C) parasitics that must be extracted and modeled. No longer can designers just model transistor length and width - the Rs and Cs inside the transistor, including local interconnect, fins, and gates, are critical for predicting the transistor's behavior.
…
52
103/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Is 20-nm planar a stepping stone to FinFET's; can analog IP be re-used?
Navraj Nandra - Synopsys Senior Director Marketing, Analog/Mixed Signal IP
Word has it that 14-nm or 16-nm fInFET processes are based on a planar CMOS 20-nm “back-end-of-line”. We’ll get into what back-end-of-line means in a later blog post. For now consider what the first statement implies since it is touted in the industry as a “fast and low risk ramp to finFET’s”, that the expertise developed for a 20-nm analog/mixed-signal IP design could be leveraged. But is this really be true? And is this the right question? IP reuse is about time to market, however, what an analog/mixed-signal designer really cares about is to get performance by the realization of higher fT and fmax, achieved by higher transconductance, output resistance, low gate capacitance and resistance. Nothing new here – this is our daily job as analog designers. The consumer of the IP, in many cases the SoC architect not only cares about time to market but also power, performance and area. Plus the IP must work on the first instantiation. The last two points are opening up new design possibilities for the analog designer. Going back thirty years, the initial CMOS circuits were based on the bipolar equivalents but over time new techniques such switched capacitor circuits started to appear as analog designers started to exploit the property of MOSFETS. We are at the same juncture with finFET’s. …
104/105 Circuitos Eletrônicos Integrados ENG04061 – H. Klimach
Desafios Futuros – FinFET for Analog ?
DAC 2013 – Austin, Texas – Technical Panel
o Topic Area: Analog/Mixed-Signal/RF Design
o Summary:
o FinFET devices have emerged as the winner for process nodes beyond 20nm. The advantages are too compelling to ignore. However what’s great for SoC is a real challenge for analog. With sub-threshold currents near zero and virtually no bias control capability, suddenly the analog designer will have to throw out the old schematics and really start to rethink the problem. The big question: How quickly will mainstream analog design find its way into FinFET-driven logic processes?
o Moderator: Ron Wilson / Altera Corp., San Jose, CA