Blocchi analogici di base in tecnologia CMOS

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1 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS Valentino Liberali Università di Pavia Dipartimento di Elettronica Via Ferrata 1, Pavia Tel.: (39) Fax: (39) Università di Milano Polo di rema Via Bramante 65, rema Tel.: (39) Fax: (39) Scuola di Dottorato - Gruppo Nazionale di Elettronica Parma, 5 Giugno 2000 Sommario q Introduzione q Amplificatori operazionali MOS L Amplificatori operazionali a transconduttanza (OTA) L Amplificatore a due stadi L Amplificatore fully differential q omparatori MOS q Interruttori MOS q omponenti passivi L Resistenze L apacità q ircuiti a capacità commutate (S) q Analisi di circuiti S mediante la trasformata Zeta Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 2

2 Evoluzione della tecnologia MOS q Legge di Moore: il numero di transistori MOS per chip raddoppia ogni 18 mesi q Diminuzione della lunghezza di gate del transistore MOS q Aumento esponenziale della densità di integrazione q International Technology Roadmap for Semiconductors contiene previsioni fino al 2014 micron Mtransistors/cm2 MOS gate length MOS logic density Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 3 Tendenze del mercato q I circuiti MOS sono impiegati nell elaborazione digitale dei segnali q La natura analogica dei segnali da trattare richiede l uso di circuiti di interfaccia analogico/digitali q L evoluzione della tecnologia rende economicamente conveniente l integrazione di tutti i circuiti su uno stesso chip ( system on a chip ) q Settore trainante: servizi di telecomunicazioni a larga banda (wireless o wire-based) L Asymmetrical digital subscriber loop (ADSL) : trasmissione di dati digitali su doppino telefonico L Sistemi di comunicazione portatili a radiofrequenza (RF) Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 4

3 Amplificatore operazionale ideale V V d = V V V V o = AV d (Α ) q È un generatore ideale di tensione controllato in tensione con guadagno infinito L amplificazione di tensione: A L resistenza di uscita: R out 0 L resistenza di ingresso: R in L banda passante: B Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 5 Amplificatore operazionale reale q Non idealità: L resistenza di ingresso: per i transistori MOS, a bassa frequenza è vero che R in L amplificazione di tensione finita è errore 1/A (di solito è adeguato un guadagno di db) L banda passante: limitazioni in frequenza è può essere necessaria la compensazione per garantire il margine di fase L resistenza di uscita non nulla: R out influisce soltanto se l uscita dell amplificatore operazionale deve pilotare carichi resistivi Ø se i carichi in uscita sono puramente capacitivi, R out può essere grande Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 6

4 Amplificatore operazionale reale I q L offset di tensione all ingresso è proporzionale a I kt q Per i transistori bipolari, = = 26 mv gm q I VGS Vth q Per i transistori MOS, = = mv g 2 m q Gli amplificatori operazionali MOS hanno offset di tensione più grande di circa un ordine di grandezza rispetto a quelli realizzati con bipolari è In molte applicazioni è necessario cancellare l offset di tensione all ingresso (autozero) Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 7 g m Amplificatore a transconduttanza q OTA (Operational Transconductance Amplifier): L si può ottenere un elevato guadagno A con una elevata resistenza di uscita R out L aumentando il guadagno diminuisce l errore dovuto al guadagno finito L l uscita si porta al valore corretto dopo un transitorio (tempo di settling) G m R Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 8

5 Amplificatori a singolo stadio q Il guadagno elevato è ottenuto tramite un alta resistenza di uscita (cascode) q Strutture: L Stadio telescopico L Stadio a specchi di corrente L Stadio folded cascode q Hanno solo un nodo ad alta impedenza è la compensazione in frequenza è assicurata dal carico capacitivo Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 9 Stadio telescopico J J L L Guadagno a bassa frequenza A = ( g ) 2 m r 0 ds Basso consumo di potenza Bassa dinamica di uscita 5 transistori in serie è non adatto per basse tensioni di alimentazione M 7 M 8 V B2 M 3 V B1 M 9 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 10

6 Stadioaspecchidicorrente J Migliore dinamica J Solo 4 transistori in serie V B2 M 7 M 3 M 8 L onsumo di potenza L Velocità degli specchi M V B1 3 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 11 Stadio folded cascode convenzionale V B3 M 3 V B2 M 7 M 8 V B1 1 M 9 0 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 12

7 Stadio folded cascode ad alta dinamica V B3 M 3 V B2 M 7 2 M 8 V B1 1 M Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 13 Amplificatore a due stadi q Stadio di uscita in classe AB: può erogare una corrente maggiore della corrente stazionaria q Richiede compensazione in frequenza M 3 M 8 M 9 V B1 M 7 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 14

8 Strutture fully differential in R out outin R R out in- q L utilizzo di circuiti completamente differenziali presenta alcuni vantaggi: L Raddoppio della dinamica del segnale di uscita (6 db) L I disturbi provenienti dall alimentazione e dal clock vengono trattati come segnali di modo comune q Svantaggi: L Necessità della retroazione di modo comune L onversione single-ended / fully differential e viceversa Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 15 Amplificatore fully differential q Il blocco MFB ( common mode feedback ) controlla il valore medio dell uscita q Può essere realizzato a tempo continuo oppure a dati campionati V B3 M 3 M 7 V B1 1 M 9 M 8 0 V B2 V B4 V B5 MFB tensioni di polarizzazione V B1 o V B3 o V B5 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 16

9 ommon mode feedback (1) q Esempio di MFB tempo continuo (transistori 2,3,4, 5 ) q Necessità di impostare dall esterno la tensione di riferimento V M V B3 M 3 Out- M 7 V B1 1 M 9 M 8 0 V B2 Out V B4 V B5 V M Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 17 ommon mode feedback (2) q Esempio di MFB a dati campionati q Vantaggioso solo quando si dispone già di fasi di clock q Possibili problemi dovuti al clockfeedthrough I ref V M V out V out- ' I out Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 18

10 omparatore q Serve a discriminare se il segnale d ingresso è maggiore o minore di un valore di riferimento q L uscita rappresenta un valore logico (1 o 0) q È uno stadio di guadagno usato ad anello aperto L Guadagno tipico: 80 db L Può essere realizzato con un solo stadio oppure con più stadi in cascata L Necessità di compensazione dell offset 0 1 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 19 Latch q Spesso il comparatore è seguito da un latch L Il latch memorizza il dato digitale mantenendolo costante per una fase di clock L La retroazione positiva del latch assicura che in uscita ci sia sempre un bit valido V B out- M 3 M 7 out strobe Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 20

11 omparatore con latch q omparatore e V B2 latch possono essere realizzati in un unico blocco funzionale L Nella prima fase è attivo lo stadio differenziale del comparatore L Nella seconda fase è attivo il latch M3 strobe M 8 V B1 outout M 9 strobe M 7 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 21 Interruttori MOS q Il transistore MOS funziona come interruttore quando viene fatto commutare tra regione di interdizione e regione di triodo A q Si possono utilizzare due transistori complementari comandati da segnali opposti in fase: B V on off t V A B V t Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 22

12 omponenti passivi in tecnologia MOS q Resistenze L Possono essere fabbricate con un materiale resistivo (polisilicio, diffusione, well, ) q ondensatori L Richiedono due strati conduttori separati da uno strato di dielettrico (polisilicio-diffusione, polisilicio1-polisilicio2, metal-metal, ) q Il valore dei componenti passivi non è molto preciso (tolleranze %) q Il matching tra elementi dello stesso tipo è molto buono (0.1 %) Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 23 apacità commutate (1) 1 2 V s T q Un condensatore che viene periodicamente commutato tra due nodi a tensione fissa, in ogni periodo di clock T trasferisce una carica Q = V q La corrente media dovuta al trasferimento di carica è Q V I = = T T Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 24 V out

13 apacità commutate (2) T 1 2 V s V out in R 2 out q Il condensatore commutato equivale ad una resistenza q La costante di tempo dell integratore è: T τ = (rapporto tra le capacità) 2 T R = Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 25 Trasformata Zeta q Un sistema lineare tempo-invariante (LTI) è completamente specificato dalla risposta impulsiva h(t) q I sistemi LTI a tempo continuo possono essere descritti tramite la risposta in frequenza H(f) (trasformata di Fourier della risposta impulsiva) q I sistemi LTI a tempo discreto (analogici o digitali) possono essere descritti nel dominio Z mediante la trasformata Zeta: å k = H ( z) = Z { h( k)} = h( k) z k Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 26

14 Esempi q Un elemento di ritardo è descritto nel dominio Zeta come 1 z q Un integratore (a tempo discreto) è descritto nel dominio Zeta come 1 z 1 z q Nel caso di campionamento uniforme nel tempo con periodo T, allora st z 1 = e 1 Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 27 Sistemi a dati campionati GTeorema del campionamento (Shannon): LUn segnale continuo x(t) la cui trasformata di Fourier X(f) è limitata in banda (cioè X(f) = 0 per f [f 0, f 0 B]), può essere univocamente ricostruito senza errore partendo da campioni x(kt) distribuiti uniformemente nel tempo, a condizione che la frequenza di campionamento F s =1/T sia maggiore della banda di Nyquist del segnale 2B. Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 28

15 ampionamento senza aliasing X(f) -B S(f) 0 B f -F s 0 X(f) * S(f) F s f -F s F Fs 2 s 2 -B 0 B F s f Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 29 ampionamento con aliasing X(f) -B S(f) 0 B f -F s 0 X(f) * S(f) F s f -F s 1 Fs 2 -B 0 B F s 1-2 F s f Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 30

16 Anti-aliasing GPer rispettare le condizioni imposte dal teorema del campionamento, il segnale in ingresso ad un sistema a dati campionati deve essere filtrato per eleiminare le componenti a frequenza superiore a =1/2T (anti-aliasing) GIl filtro di anti-aliasing deve essere atempo continuo Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 31 Riferimenti bibliografici G Semiconductor Industry Association (SIA), The International Technology Roadmap for Semiconductors, G P. E. Allen and D. R. Holberg. MOS Analog ircuit Design. Oxford Univ. Press, New York, NY, USA,1996. G P. R. Gray and R. G. Meyer. Analysis and Design of Analog Integrated ircuits. John Wiley & Sons, New York, NY, USA,1993. G L. Luh, J. homa Jr., and J. Draper: A continuous-time common-mode feedback circuit (MFB) for highimpedance current-mode applications, IEEE Trans. irc. and Syst.-II, vol. 47, Apr. 2000, pp Blocchi analogici di base in tecnologia MOS - Valentino Liberali - Scuola di Dottorato GE 32