Diseño de un Amplificador Operacional totalmente integrado CMOS que funcione como driver para cargas capacitivas elevadas
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1 Diseño de un Amplificador Operacional totalmente integrado CMOS que funcione como driver para cargas capacitivas elevadas Titulación: Sistemas Electrónicos Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Sunil Lalchand Khemchandani Autor: Enara Ortega García Fecha: Septiembre 2009
2 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
3 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
4 Circuitos Integrados
5 Ley de Moore
6 Circuitos analógicos y digitales A pesar de que las tendencias actuales es hacia el predominio de los circuitos digitales, siempre existirá la necesidad de circuitos analógicos que acondiciones señales físicas. AMPLIFICADORES OPERACIONALES!!
7 Amplificadores Operacionales
8 Parámetros de los Amplificadores Operacionales
9 Tensión de entrada en modo común VOUT VIN V C 1 2 ( V V )
10 Rango de tensión de entrada en modo común Presenta el intervalo en el cual, el voltaje de entrada puede variar Las entradas con magnitud mayor pueden ocasionar distorsión a la salida
11 Tensión de entrada en modo diferencial VIN VOUT V d V V
12 Rechazo en modo común RELACIÓN ENTRE LA GANANCIA DE TENSIÓN DIFERENCIAL Y LA GANANCIA DE TENSIÓN EN MODO COMÚN. CMRR A A d c
13 Excursión máxima de salida
14 Rechazo a la fuente de alimentación RELACIÓN ENTRE LA VARIACIÓN DE LA TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN DEL CIRCUITO Y LA TENSIÓN DE SALIDA DEL MISMO PSRR V V DD OS
15 Slew Rate
16 Producto de Ganancia por Ancho de Banda AV AVD 0.707AVD GBW=AVD X fc 1 0 f fc f1 B1
17 Margen de Fase y Margen de Ganancia
18 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
19 Tecnología Tecnología CMOS 0.18um de UMC Elementos activos: Transistores MOS Transistores bipolares Diodos Elementos pasivos: Resistencias Condensadores Bobinas 6 metales 1 polisilicio
20 Transistores MOSFETs NMOS Tensión Umbral (V T ) 0.65V Parámetro de transconductancia (k) 100µA/V 2 PMOS Tensión Umbral (V T ) 0.7V Parámetro de transconductancia (k) 30µA/V 2
21 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
22 Objetivos DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL COMPLETAMENTE INTEGRADO EN TECNOLOGÍA CMOS PARA SER UTILIZADO COMO DRIVER Min. Nom. Máx. V DD (V) Temp. (ºC) Consumo de corriente (ma) 1.6 Tolerancia a la amplitud (%) ±10 Capacidad de salida (pf) Frecuencia (khz) 500
23 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
24 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
25 Etapa de entrada
26 Modelo en pequeña señal G2 + vid G1 _ + + D1=D3=G3=G4 c3 D2=D4 vg1 vg2 gm1 vgs1 r01 r03 1/gm3 c1 id1 -id1 r04 r02 c2 S1=S2=S3=S4 v v out id W I 1,2 L D1,2 1,2 1 2
27 Problemas de la etapa diferencial simple Con una etapa de entrada diferencial NMOS
28 Problemas de la etapa diferencial simple Con una etapa de entrada diferencial PMOS
29 Etapa de entrada complementaria
30 Etapa de polarización
31 Funcionamiento de los espejos de corriente VDD R Iref Io Q1 Q ) ( 2 1 t GS n D V V L W K I 1 2 L W L W I I ref O 2 2 ) ( 2 1 L W V V K I t GS n O
32 Tipos de espejos de corriente VDD Espejo de corriente básico Iref Q1 Q2 Io Q3
33 Tipos de espejos de corriente VDD Espejo de corriente cascada/cascodo Q1 Q2 Q3 Q4 Iref Io Q5
34 Tipos de espejos de corriente VDD Espejo de corriente Wilson Q1 Q2 Q3 Iref Io Q4
35 Etapa de salida
36 Tipos de etapas de salida Etapa Clase A Eficiencia=25%
37 Tipos de etapas de salida Etapa Clase B Eficiencia=78% Distorsión de cruce!!
38 Tipos de etapas de salida Etapa Clase AB Eficiencia=78%
39 Compensación
40 Tipos de compensación Polo dominante o Miller. Polo-cero. Limitación de beta. Adelanto de fase.
41 Respuesta en frecuencia del Op-Amp sin compensar vid gm1 vid ro2 ro4 c1 vo1 ro6 ro7 c2 vo i1 _ P 1 c 1 1 ( r o 2 r o 4 ) P 2 c 2 1 ( r o 6 r o 7 )
42 Implementación de la compensación de Miller cc vid gm1 vid ro2 ro4 c1 vo1 gm6 vo1 ro6 ro7 c2 vo _ Reduce la frecuencia de P1 y mueve P2 a una frecuencia más alta P 1 P 2 g 1 r r m6 1 2C C g c m6 2 m APARICIÓN DE UN CERO!! Z1 CC g 6
43 Implementación de la compensación polo-cero AÑADIR UNA RESISTENCIA EN SERIE CON Cc: cc Rz vid gm1 vid ro2 ro4 c1 vo1 gm6 vo1 ro6 ro7 c2 vo _ Z 1 C C 1 g 1 m6 R Z Si se cumple: R Z 1 g m6 mejora el margen de fase ya que el desfase es en sentido contrario.
44 Ejemplo de diseño Diseño de un Op-Amp de dos etapas básico que sea estable para una carga de salida de 20pF
45 Esquema
46 Definición de valores El circuito será alimentado con 3.3V. La corriente de polarización será de 500µA. El factor de ganancia K de los transistores será: K n 150A / V 2 K p 45A/ V 2
47 Cálculo del tamaño de los transistores I 1 2 K W L 2 D V sat 1. Fijar las corrientes de cada rama 2. Definir la Vsat de los transistores. 3. Fijar una longitud (L) y calcular la anchura (W).
48 Tamaño de los transistores 2.5mA
49 Cálculo de la compensación C C 4 C L g g m1,2 m8 Ajustamos el valor simulando varias veces. Cc=5pF
50 Resultado de la simulación AC
51 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
52 Diseño del driver Op-Amp de dos etapas con entrada diferencial tipo N Op-Amp de dos etapas con entrada diferencial tipo P Op-Amp de dos etapas con entrada diferencial complementaria
53 Entrada diferencial tipo N
54 Resultados de la simulación AC CLOAD MARGEN DE FASE 1pF 15.3º 10pF 5.3º 100pF 19.6º 1nF 53.6º 3nF 64.8º
55 Modificaciones Aumento del tamaño de los transistores de la etapa de salida MEJORA ESTABILIDAD!! Etapa de entrada diferencial con transistores tipo P MEJORA SLEW RATE!!
56 Entrada diferencial tipo P
57 Resultados de la simulación AC CLOAD MARGEN DE FASE 1pF 84.4º 10pF 53.7º 100pF 25.9º 1nF 34.7º 3nF 50.8º
58 Modificaciones Aumento del tamaño de los transistores Compensación polocero doble MEJORA ESTABILIDAD!! Etapa de entrada diferencial complementaria MEJORA EL RANGO DE TENSIÓN DE ENTRADA EN MODO COMÚN!!
59 Esquema del diseño
60 Resultados de la simulación AC CLOAD MARGEN DE FASE 1pF 99.3º 10pF 97.7º 100pF 95.1º 500pF 98.3º 1nF 99º 1.5nF 99.2º 2nF 99.3º 2.5nF 99.4º 3nF 99.5º
61 Resultado de la simulación transitoria Consumo 8.8mA >> 1.6mA
62 Modificación del diseño CONSUMO: 649µA << 1.6mA
63 Resultados de la simulación AC CLOAD MARGEN DE FASE 1pF 100.3º 10pF 95.6º 100pF 87.8º 500pF 99.5º 1nF 102.3º 1.5nF 103.3º 2nF 103.8º 2.5nF 104.2º 3nF 104.4º
64 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
65 Diseño en CADENCE Pasamos el esquema elegido a la tecnología en la que se va a implementar el diseño. Comprobamos que cumple con todas las especificaciones pedidas. Con todas las especificaciones cumplidas pasamos al diseño a nivel de layout.
66 Esquema en CADENCE
67 Layout del diseño Transistores de salida Fuentes de corriente Etapas de entrada Cargas activas Cargas variables Transistores PD y PDN Condensadores Resistencias
68 Layout de los espejos de corriente Matching
69 Layout de los pares diferenciales Técnica del centroide común
70 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
71 Simulación AC Margen de Fase (º) CLOAD (pf) TT 27º 3,3V FF -40ºC 3,6V SS 85ºC 2,7V 1 100,7 102, ,7 93,18 89, , , ,2 57,7 57, ,7 49,7 47, ,7 47, ,4 50,7 50, ,8 58,7 56,9
72 Simulación AC TT SS FF 90 Margen de fase (º) CLOAD (pf)
73 Simulación transitoria Transistores: TT Temperatura: 27ºC Alimentación: 3.3V
74 Simulación transitoria Transistores: FF Temperatura: -40ºC Alimentación: 3.6V
75 Simulación transitoria Transistores: SS Temperatura: 85ºC Alimentación: 2.7V
76 Consumo de corriente Condiciones Consumo (µa) TT 27ºC 3.3V 652 FF -40ºC 3.6V 701 SS 85ºC 2.7V 553
77 Simulación PSRR Para VDD
78 Simulación PSRR Para GND
79 Simulación con el OCEAN
80 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
81 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
82 Conclusiones Hemos diseñado un Op-Amp totalmente integrado en tecnología CMOS 0.18um que funciona como driver para un amplio rango de capacidades de salida cumpliendo con las especificaciones marcadas. Hemos diseñado una nueva estructura de salida para la etapa clase AB con la que conseguimos un menor consumo basada en cargas dinámicas en las puertas de los transistores. Especificaciones Pedidas Min. Nom. Máx. Especificaciones Conseguidas Min. Nom. Máx. V DD (V) Temp. (ºC) Consumo de corriente (ma) Tolerancia a la amplitud (%) 1.6 ±10 Capacidad de salida (pf) V DD (V) Temp. (ºC) Consumo de corriente (ma) Tolerancia a la amplitud (%) ±10 Capacidad de salida (pf)
83 Índice BLOQUE 1 INTRODUCCIÓN TECNOLOGÍA OBJETIVOS TEORÍA DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES BLOQUE 2 DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE ESQUEMÁTICO DISEÑO DEL DRIVER. A NIVEL DE LAYOUT RESULTADOS BLOQUE 3 CONCLUSIONES PRESUPUESTO
84 Presupuesto Descripción Gastos ( ) Costes de recursos humanos Costes de herramientas de software 124,86 Costes de equipos informáticos 258,10 Costes de fabricación 4,84 Otros costes 575 PRESUPUESTO FINAL 33202,8 TOTAL (I.G.I.C 5%) 34862,94
85 Diseño de un Amplificador Operacional totalmente integrado CMOS que funcione como driver para cargas capacitivas elevadas Titulación: Sistemas Electrónicos Tutores: Francisco Javier del Pino Suárez Sunil Lalchand Khemchandani Autor: Enara Ortega García Fecha: Septiembre 2009
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