Nanocircuitos e Sistemas Analógicos

Caracterização geral

Pré-requisitos

Os requisitos necessários para a frequência com sucesso da disciplina de CCSIA são os seguintes:

-          Teoria de Circuitos Eléctricos (TCE): métodos e técnicas de análise de circuitos eléctricos de parâmetros concentrados; teoremas e leis fundamentais. Nesta disciplina os alunos já adquirem uma certa experiência na utilização de programas de computador para simulação de circuitos ao nível eléctrico (“P-SPICE”).

-          Electrónica I: díodos, transístores de junção bipolar, transístores de efeito de campo, amplificadores multi-andar; andares de saída; portas lógicas TTL e CMOS; amplificadores operacionais. Esta disciplina dá formação básica em termos dos dispositivos electrónicos existentes e dos seus modos de funcionamento de modo a permitir-lhes projectar, implementar e testar circuitos com o nível de complexidade equivalente a um amplificador operacional multi-andar utilizando componentes discretos.

-          Electrónica II: nesta disciplina são apresentados os conceitos relacionados com as questões de resposta em frequência, teoria da realimentação, estabilidade e compensação de amplificadores. Ao nível de sistema estudam-se os filtros contínuos e os diferentes tipos de osciladores.

-          Noções de probabilidades: média, variância, auto-correlação, função densidade de probabilidade, variáveis aleatórias Gaussianas, etc.

-          Teorema da amostragem e Transformada Z.

De salientar ainda que, alunos provenientes de cursos de 1º ciclo a nível europeu têm, habitualmente, os conhecimentos suficientes para a frequência da disciplina.

Bibliografia

A bibliografia da disciplina centra-se num livro recomendado bem como nas transparências (slides) disponibilizadas na página da disciplina no ‘Moodle’ mas tem ainda dois livros mais recentes opcionais:

[recomendado] David Johns, Ken Martin, Analog Integrated Circuit Design, 1997, John Wiley & Sons.

[opção 1] Behzad Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, 2001, McGraw-Hill.

[opção 2] Willy Sansen, Analog Design Essentials, 2006, Springer.

Embora tendo sido editado em 1997, o livro recomendado é actual e adequado ao ensino de um curso universitário. Trata os diferentes assuntos com o rigor e a generalidade necessária cobrindo, em 10 dos seus 16 capítulos constituintes, todos os temas abordados na disciplina.

Método de ensino

Método de avaliação

A avaliação é feita através de 2 trabalhos feitos em grupos de 3 alunos e de 2 Testes individuais ou, opcionalmente, 1 exame individual de recurso. Os trabalhos são realizados em várias aulas práticas e conduzem a uma nota de frequência, calculada pela média aritmética.

 A nota final (NF) é obtida através da nota de frequência dos 2 trabalhos de laboratório (NLab) e da nota da média ponderada dos 2 testes (NT=(0.7*NT1+0.3*NT2)) ou do exame final (NE), de acordo com: NF=(0.3*NLab+0.7* (NT ou NE)). Só são aprovados alunos com NLab e NF não inferior a 9.5 valores.

Conteúdo

O programa encontra-se dividido em cinco módulos:

-          Tecnologia CMOS;

-          Projecto de Amplificadores CMOS;

-          Tipos de ruído, ruído amostrado (KT/C) e cálculo do factor de excesso de ruído em amplificadores CMOS;

-          Circuitos em Condensadores Comutados (CC) no domínio do tempo;

-          Filtros utilizando técnicas de CC.

A parte de Tecnologia CMOS (1) cobre a diversos aspectos tais como o transístor MOS, os diferentes passos de fabrico e os diferentes tipos de modelos eléctricos. Em detalhe descreve-se a origem dos circuitos integrados, a Lei de Moore, os diferentes elementos eléctricos disponíveis em processos CMOS standard, os símbolos e convenções, o problema do latch-up, o transístor MOS a operar como condensador ou como resistência, o transístor MOS a operar nas diferentes zonas de inversão (fraca, moderada e forte) e, em inversão, as regiões de tríodo e de saturação (zona activa). São apresentados ainda os efeitos de canal curto e de modulação de canal. Mostra-se a forma de polarizar (em DC e sempre em modo de corrente com a excepção dos transístores cascode) transístores MOS por utilização de espelhos de corrente simples e derivam-se os modelos de pequenos sinais para baixas e médias/altas frequências (onde se explica em detalhe a origem física de todas as capacidades parasitas).

A segunda parte da matéria teórica cobre o projecto analítico de amplificadores em CMOS (2). São introduzidas (por analogia com as versões em tecnologia Bipolar) as 3 topologias básicas de amplificadores (IGNOREe comum, dreno comum e porta comum) e são explicadas outras topologias de espelhos e IGNOREes de corrente com impedância de saída acrescida. Seguidamente, derivam-se as topologias cascode e a estrutura do par diferencial. Com estes blocos básicos avança-se então para os amplificadores de transcondutância de um andar (cascode telescópico, cascode dobrado e cascode espelhado) com entrada diferencial e para os amplificadores clássicos de dois andares com compensação de Miller. Por fim, e para fazer a ponte com a investigação desenvolvida no grupo, mostram-se topologias de dois andares mais sofisticadas, nomeadamente com recurso a compensações híbridas cascoded-Miller, com realimentação positiva e com técnicas de self-biasing. Mostra-se aqui, nesta fase, a grande importância dos optimizadores de circuitos na medida em que permitem fazer o dimensionamento óptimo de amplificadores operacionais muito complexos de ordem igual ou superior a 4 para diversos parâmetros de desempenho em simultâneo (mais de 7).

Em termos de ruído fala-se dos diferentes tipos de ruído num circuito integrado, em particular do ruído térmico e do ruído de flicker (1/f). Mostram-se noções de densidade espectral de potência de ruído, largura de banda de ruído (ruído filtrado), soma de diferentes IGNOREes de ruído e modelos de densidade espectral de potência de ruído para os diferentes elementos (nomeadamente para resistências e transístores MOS). Por fim demonstra-se (deriva-se) a noção de ruído amostrado (kT/C) e explica-se como se calcula o ‘factor de excesso de ruído’ num amplificador do tipo “cascode-dobrado’.

A quarta parte da matéria lida com a implementação em CMOS de circuitos em condensadores comutados (3). Fala-se em detalhe da problemática da implementação dos interruptores em particular dos efeitos da sua resistência de condução finita (e inconstante com a amplitude do sinal) bem como a problemática da injecção de carga quer dependente quer independente de sinal (‘clock-feedthrough’). São apresentadas as técnicas mais utilizadas para minimizar os efeitos de injecção de carga e são descritos os circuitos geradores de fases clássicos mais utilizados. Novamente, para efectuar a ponte com a investigação desenvolvida no grupo, ilustra-se a funcionalidade da utilização de fases com sobreposição temporal (‘overlapping’) em tecnologias CMOS nanométricas e das técnicas de linearização de interruptores utilizando bombas de carga e de novas técnicas de linearização de interruptores (SLC) que quase não têm qualquer efeito de stress sobre o óxido das portas dos dispositivos. No domínio do tempo são descritos e analisados em detalhe diversos circuitos de amostragem-e-retenção, amplificadores de ganho (programável ou não), conversores D/A por redistribuição de carga e conversores D/A multiplicativos (MDACs) para utilização em ADCs concorrenciais e algorítmicos. São ainda analisados os efeitos de ganho finito (A), tensão de deslocamento (de ‘offset’) não nula e de produto ganho-largura-de-banda (GBW) finito. Por fim explica-se o funcionamento de comparadores CMOS utilizando técnicas de cancelamento da tensão de deslocamento em CC à entrada e na saída dos andares de pré-amplificação.

A última parte do programa diz respeito aos filtros em condensadores comutados (5) (1ª ordem apenas) onde se revisitam as noções de transformada Z, teorema da amostragem e problemas de sobreposição espectral, projecto de filtros em tempo discreto, resposta em frequência e estabilidade e analogia com os filtros em tempo contínuo. 

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: