Nanocircuitos e Sistemas Analógicos

Objectivos

O objectivo genérico principal da unidade curricular de CCSIA é:

Dar ao aluno a capacidade de utilizar técnicas básicas e avançadas de projecto eléctrico (analítico) de circuitos integrados, nomeadamente projecto de topologias clássicas e avançadas de amplificadores e análise de funções de transferência de circuitos realizados em condensadores comutados. É transmitida uma abordagem analítica onde, no final do semestre, o aluno conseguirá projectar amplificadores de moderada complexidade, totalmente com base em equações, e com o mínimo recurso a simuladores eléctricos. A maior parte dos aspectos relacionados com as tecnologias CMOS (e as suas maiores limitações) são abordados, bem como as técnicas mais utilizadas no desenho das máscaras em estruturas básicas (agregados de condensadores, ‘layout’ de resistências e ‘layout’ eficiente de transístores em ‘stack’).

Por fim e uma vez que os alunos não têm nenhuma disciplina que trate os diferentes tipos de ruído presentes num circuito electrónico, uma breve introdução a estes assuntos é também leccionada em CCSIA.

Os principais objectivos estratégicos a alcançar pelos alunos que frequentem com sucesso a disciplina de CCSIA são os seguintes:

1)      Compreender a tecnologia CMOS, as suas potencialidades e limitações, nomeadamente dos transístores NMOS e PMOS. Aprender as equações que regem os dispositivos MOS nas suas diferentes regiões de operação, os esquemas de polarização óptimos, bem como os seus modelos para efectuar a análise de pequenos sinais a baixas e a médias/altas frequências. Compreender os efeitos de corpo, efeitos de modulação de canal e efeitos de canal curto nos dispositivos MOS.

2)      Saber analisar, dimensionar e simular electricamente as topologias mais básicas de amplificadores com um único dispositivo, as topologias “cascode” e os pares diferenciais com dois transístores. Compreender a origem física dos pólos e zeros em médias/altas frequências nestes amplificadores básicos (sem realimentações).

3)      Saber analisar, dimensionar analiticamente (e.g. em MATCAD) e simular electricamente amplificadores de um andar pseudo-diferenciais e completamente diferenciais de topologias cascode, nomeadamente o cascode-dobrado,cascode-telescópico e o cascode-espelhado, bem como o clássico amplificador de dois andares com compensação de Miller. Perceber a necessidade dos circuitos de realimentação de modo comum.

4)      Entender os diferentes tipos de ruído associados aos dispositivos num dado circuito integrado, compreender a noção de ruído amostrado e saber calcular analiticamente o factor de excesso de ruído total num amplificadorcascode de um andar.

5) Saber analisar diversos circuitos em condensadores comutados (CC) no domínio do tempo discreto (circuitos de amostragem e retenção, circuitos de ganho programável, conversores digital-analógico por redistribuição de carga, etc.) e saber analisar e projectar filtros de 1ª ordem (integradores) em CC. Saber realizar diferentes esquemas de geração de fases para circuitos em condensadores comutados e interiorizar bem os efeitos nefastos inerentes à injecção de carga dependente e independente de sinal bem como as técnicas mais utilizadas para os minimizar.

Caracterização geral

Código

10501

Créditos

6.0

Professor responsável

A disponibilizar brevemente

Horas

Semanais - A disponibilizar brevemente

Totais - 63

Idioma de ensino

Português

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

Métodos de Ensino Teórico

As aulas teóricas têm a duração de duas horas e são semanais. As aulas teóricas incidem na apresentação de métodos e ferramentas analíticas necessárias para a análise e dimensionamento óptimo de amplificadores CMOS de moderada complexidade bem como da análise de circuitos em condensadores comutados quer o domínio do tempo quer na frequência. São frequentemente utilizadas transparências mas a resolução e análise dos circuitos é sempre efectuada no quadro de forma muito detalhada.

Métodos de Ensino Prático

As aulas práticas têm uma duração também de duas horas, havendo uma aula semanal. Em cerca de 25% das aulas práticas (3 aulas num total de 12) são resolvidos pelos alunos problemas associados à matéria teórica (exceptuando-se os circuitos em condensadores comutados que são cobertos de forma exaustiva nas aulas teóricas). As restantes aulas são habitualmente dedicadas a execução dos três trabalhos de laboratório onde, no terceiro e último trabalho, se dá total autonomia aos alunos.

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.