![Page 1: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/1.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 1
Fernando Silveira
Universidad de la República
Uruguay
Diseño de Ultra Bajo Consumo
I. Modelado del Transistor MOS para Diseño de Bajo
Consumo
![Page 2: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/2.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 2
Potencia vs. Baja Potencia vs.
MicroConsumo vs. Ultra Bajo Consumo (ULP)
� Pentium 4, 3.4GHz, tecnología 90nm => Consumo=118W !!,
=> IDD = 91A !! @ VDD = 1.3V
� Procesador “Low Power” para Notebooks => Consumo: algunos Watts
=> IDD algunos Amps
� Baterías: 50mAh (botón) hasta 1Ah, 2Ah (alcalinas, recargables)
1 Ah = 114 µµµµA . año
� Micropower: Consumo del orden del µµµµW / µµµµA ( un millón de veces menos !!).
– Areas tradicionales
» Relojes pulsera
» Dispositivos médicos implantables (marcapasos)
� Actualmente: Nanoconsumo o Ultra Bajo Consumo (ULP: Ultra Low Power)
» Dispositivos médicos
» Redes de Sensores Inalámbricos, RFID
![Page 3: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/3.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 3
Ejemplo de circuitos:
Sensado de Actividad en Marcapaso
� Objetivo:
� Ej. Indicador de actividad: Promedio en 3s del valor
absoluto de la aceleración en la banda de 0.5 - 7 Hz.
Sensor 3s Averaging
Amplificador / filtro
Rectificador ideal
Amplitud: decenas a centenas
de µV
![Page 4: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/4.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 4
Objetivos de estas Presentaciones
� Dar un panorama del diseño actual de circuitos integrados
analógicos de ultra bajo consumo.
� Mostrar técnicas de diseño y análisis a nivel de circuito
integrado y de sistema
– Física y modelado de los dispositivos
– Métodos de diseño y optimización
– Límites teóricos
– Técnicas a nivel circuito y sistema
� Mostrar perspectivas y temas de investigación en el área
![Page 5: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/5.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 5
Organización de las Presentaciones
� I. Modelado del transistor MOS para diseño de bajo consumo.
� II. Metodología de diseño de circuitos integrados analógicos
MOS y operación bloques básicos.
� III. Límites teóricos y nivel sistema
� IV. Laboratorio
![Page 6: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/6.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 6
Modelado del transistor MOS para diseño de bajo
consumo
![Page 7: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/7.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 7
Agenda
� I. Transistor MOS: Revisión de conceptos básicos.
� II. Transistor MOS: Modelado DC para diseño ULP.
� III. Transistor MOS: Modelo de pequeña señal.
![Page 8: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/8.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 8
I. Transistor MOS (canal n)
� Ancho W: dimensión en la dirección perpendicular a la pantalla
Zona de deplexiónCanal de inversión
n+n+
G D
B
p Si
S
tox
L
SiO2
![Page 9: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/9.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 9
I. Mecanismos de conducción de corriente:
Arrastre (drift) y Difusión
V
IE
F+
F+
Arrastre (Drift)
•velocidad media portadores = µ.E,
µ: movilidad
• I proporcional a la concentración de
portadores
Movimiento neto de portadores
Difusión
•Debido a movimiento aleatorio
portadores y gradiente de
concentración
• I proporcional a gradiente de
concentración
v
![Page 10: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/10.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 10
I. Estructura MOS de Dos Terminales:
Tensión de Banda Plana (“Flat Band”)
B
+ + + ++ + + + + +
- - - - - - - - - - - - -
GG
B
Polisilicio
(conductor
, metal)
Aislante
(óxido)
Metal
Semiconductor
(silicio tipo p)
B
G
VGBVGB = VFB (tensión de Flat Band)
=> No hay cargas netas acumuladas
en sustrato y gate.
![Page 11: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/11.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 11
I. Estructura MOS de Dos Terminales:
Acumulación, Deplexión, Inversión
B
G
VGB=VFB
+
B
G
++ + ++ + ++ + ++ + ++VGB<VFB
Acumulación
B
G
VGB1>VFB
Deplexión
-
B
G
- - - - - - - - - - - - -
VGB = VGB2 >VGB1>VFB
Inversión
Canal de
Inversión,
electrones
libres,
Carga Qi
![Page 12: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/12.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 12
I. Estructura MOS de Dos Terminales:
Carga de Inversión Qi
Fuente: Tsividis
Aproximación usual
(inversión fuerte):
Q’i =C’ox.(VGB-VT0)
![Page 13: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/13.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 13
I. Estructura MOS de Tres Terminales:
Efecto de sustrato (efecto “body”).
Qi
• Si se aumenta VCB
manteniendo VGC
constante => Qi
disminuye.
• Para tener el mismo
Qi, VGB y VGC tienen
que aumentar en mayor
proporción que VCB
Q’i = C’ox.(VGB - VT0-λ.VCB),
λ= 1.2 … 1.6 ≅ n
![Page 14: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/14.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 14
I. Transistor MOS (Cuatro Terminales):
Modelo simplificado inversión fuerte
Q’i
VGB
• Q’i = C’ox.(VGB - VT0- λ.VCB)
λ= 1.2 … 1.6 ≅ n
•
∫ −µ=DB
SB
V
V
CBiD dV)'Q(L
W.I
![Page 15: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/15.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 15
I. Transistor MOS (Cuatro Terminales)
Diagrama de Memelink / Jespers (1)
∫ λ−−µ=
β
DB
SB
V
V
CBCB0TGBoxD dV)V.VV('CL
W.I
43421
Publicado en
[Wallinga, Bult,
IEEE JSSC June
1989]
![Page 16: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/16.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 16
I. Transistor MOS (Cuatro Terminales)
Diagrama de Memelink / Jespers (2)
VGB
VCB
VT0+λ.VCB
VT0
VSB VDB VP
Zonal Lineal,
VDB < VP = (VGB-VT0)/λ
VGB
VCB
VT0+λ.VCB
VT0
VSB VDBVP
n+n+
G D
S
Saturación,
VDB > VP = (VGB-VT0)/λ
ID independiente de VDB igual
a β por área del triángulo.
![Page 17: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/17.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 17
I. Ej. Descarga y carga de un condensador por
un transistor nMOS (3)
VGB
VCB
VT0+λ.VCB
VT0
VSB=0 VDB=VCVP
VGB
VCB
VT0+λ.VCB
VT0
VSB=VC VDB=5VVP
Valor final de
tensión en el
condensador 0V
Valor final de tensión en
el condensador: VP < 5V
(en realidad carga muy
lenta después de VP)
0V5V
VC(t=0)= 5VS
D
0V5V
5V
VC(t=0)= 0V
D
S
![Page 18: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/18.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 18
I. Transistor MOS:
el modelo más simplificado
( )
( )
≤
→
−=<>
−−β
→
−=>>−β
→
=
0TGS
0TGSDSATDS0TGS
2DS
DS0TGS
0TGSDSATDS0TGS2
0TGS
DS
VV,0
CortedeZona
VVVV,VV,2
VV.VV.
TriodooLinealZona
VVVV,VV,VV.2
Saturación
I
β=µ.Cox.(W/L)
![Page 19: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/19.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 19
Caso ideal … … y realidad
![Page 20: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/20.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 20
Agenda
� I. Transistor MOS: Revisión de conceptos básicos.
� II. Transistor MOS: Modelado para diseño ULP.
� III. Transistor MOS: Modelo de pequeña señal.
![Page 21: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/21.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 21
II. Modelo simplificado:
defectos para diseño analógico
� MOS: dispositivo de 4 terminales, simétrico respecto a D y S.
� Efectos de segundo orden:
– Efecto de sustrato o efecto de cuerpo (“body”) (VT cambia con VSB).
– Modulación de largo de canal o efecto Early (ID cambia con VD en
saturación).
– Otros (saturación de velocidad, reducción de movilidad, efectos de canal
corto ...)
� Comportamiento cerca del umbral y por debajo de él.
![Page 22: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/22.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 22
II. Corriente subumbral (1)
![Page 23: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/23.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 23
II. Corriente subumbral (2) Inversión Fuerte (S.I.)
ID∝(VG-VT)2
Inversión Débil (W.I.)
ID∝eVG/(n.UT)
UT=k.T/q
n: factor de pendiente
Inversión Moderada (M.I.)
![Page 24: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/24.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 24
II. Modelos analíticos válidos en todas las
regimenes de inversión.
� EKV (Enz, Krummenacher, Vittoz, EPFL, Suiza, AICSP 1995): interpolación matemática entre ecuaciones de inversión débil y fuerte.
� ACM (Advanced Compact Model, A. Cunha, C. Galup-Montoro, M. Schneider, UFSC, Brasil, IEEE JSSC 1998): Modelo físico
� … o curvas experimentales o de simulación
![Page 25: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/25.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 25
−−−−= φφ γ
SSFBGBoxI VVCQ''
+−=
dx
d
dx
dW
QQI
I
t
S
ID
'
'
φφ
µ
drift difusión
II. Modelo ACM: Elementos básicos (1)
Linealización de QI vs. φφφφS para VGB constante (VCB variable) Qi
φφφφs: potencial de superficie
Considerar corrientes de arrastre
y difusión
KmVq
TkUTt
o300@26.
==≡φ
![Page 26: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/26.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 26
−−−−= φφ γ
SSFBGBoxI VVCQ''
II. Modelo ACM: Elementos básicos (2)
( ) φφφsoxIsasoxI
dndn CQCQ''''
≅−≅
GB
sasa
dV
dn
φφγ 1
21 =+=
Punto de linealización: φSa= φS / QI despreciable (QI = 0)
−+−=
24
22
γγφ VV FBGBsa
Linealización de QI vs. φφφφS para VGB constante (VCB variable)
![Page 27: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/27.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 27
II. Modelo ACM: Elementos básicos (3)
Resultado Aproximación
From: C. Galup-Montoro,
A. Cunha, “A Current-
Based MOSFET Model for
Integrated Circuit Design”,
in Low-Voltage / Low-
Power Integrated Circuits
and Systems: Low-Voltage
Mixed-Signal Circuits
edited by Edgar
Sanchez-Sinencio,
Andreas Andreou, IEEE
Press 1999
![Page 28: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/28.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 28
II. Modelo ACM Corriente de Drain (1)
+−=
dx
d
dx
dW
QQI
I
t
S
ID
'
'
φφ
µ
drift difusión
( ) φφφsoxIsasoxI
dndn CQCQ''''
≅−≅
( ) QCQC
I'
It
'ox
'
I'ox
D d
Q
Q
nL
W
n
'
ID
'
IS
∫ φ−µ
−=
),(I),(I VVVVIII DBGBSBGBRFD −=−=
−µ=φ
φ
φ
t
'ox
'
)D(IS
22
t'ox)R(F
C
Q
Cn
QCI
n2
t'ox
')D(IS
2L
Wn
![Page 29: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/29.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 29
II. Modelo ACM Corriente de Drain (2)
ID=IF-IR or ID = IS.(if-ir), con IS=(1/2)nβφβφβφβφt2
IS is débilmente dependiente en VG a través de µ y n
( )[ ]1i1ln2i1VV )r(f)r(ft)D(SP −++−+φ=−
Con VP≅(VG-VT0)/n
W.I M.I S.I
Límites
propuestos por
ACM
ifACM < 1 1 < ifACM < 100 ifACM > 100
Límites
propuestos por
EKV
ifACM < 0.4
ifEKV < 0.1
0.4 < ifACM < 40
0.1 < ifEKV < 10
ifACM > 40
ifEKV > 10
![Page 30: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/30.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 30
II. Modelo ACM Corriente de Drain (3)
( )[ ]1i1ln2i1VV )r(f)r(ft)D(SP −++−+φ=−
a) weak inversion: if(r)<<1
+−φ≅−
2
iln1VV
)r(ft)D(SP
⇒ )]V
exp(1)[1n
nVVVexp(I2I
t
DS
t
S0TGSD
φ−−+
φ
−−≅
b) strong inversion at source and drain: if(r)>>1
( ) ( ) ]VVVV[L
W
2
nCI
2DP
2SP
'ox
D −−−µ
≅
c) forward saturation: if>>ir ⇒ ID is (almost) independent of VD
c1) weak inversion: )1n
nVVVexp(I2I
t
S0TGSD +
φ
−−≅
c2) strong inversion ( )2
t
S0TGS
2S0TG
'ox
Dn
nVVVInVVV
L
W
n2
CI
φ
−−=−−
µ≅
![Page 31: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/31.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 31
II. Modelo ACM VDSAT (1)
Definida como el punto donde: QID/QIS = ξ, ξ<<1
[ ] 01.0 para 31111
ln =++≅
−++
= ξ
ξfTfTDSsat iUiUV
![Page 32: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/32.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 32
II. Modelo ACM: VDSAT (2)
10-20
10-15
10-10
10-5
100
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
ID(A)
VDSSAT(V)
Inversión débil
Inversiónfuerte
Inversiónmoderada
Inversión Fuerte (S.I.)
VDSSAT∝(VG-VT) ∝raíz(ID)
Inversión Débil (W.I.)
VDSSAT≅ 4.UT
![Page 33: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/33.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 33
II. Modelo ACM Resumen
� Expresiones para:
– cargas,
– parámetros de pequeña señal,
– capacidades intrínsecas
� Compacto: tres parámetros principales: n, VT0, β
� Físico
� Simétrico
![Page 34: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/34.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 34
II. Modelo ACM, simetría en torno a VDS = 0(From C. Galup-Montoro, Iberchip course 2001, Montevideo)
D ID /D VX
D C s im u la tion : gum m e l.n s x ; s ing le ; 10 /6 /99 ; 9 :49 :08
Sca lin g :-240 m -200m -16 0m -120m -80 m -40m 0 40m 80 m 120m 16 0m 200m
358u
360u
362u
364u
366u
368u
370u
372u
374u
376u
378u
380u
382u
D 2 ID /D VX2
D C s im u la tion : g um m e l.ns x ; s ing le ; 10 /6 /99 ; 9 :52 :08
Sca ling :-2 40m -200m -160m -12 0m -80m -40m 0 40 m 8 0m 120m 160 m 20 0m
-400 u
-350 u
-300 u
-250 u
-200 u
-150 u
-100 u
-50u
0
50u
100u
150u
200u
250u
300u
350u
D ID /D VX
SMASH 4 .03 ; D C ana lys is ; D :\Os ca r\s im u l\Tes te s pa ra Tes e \G um m e lbs im .ns x ; s ing le ; 10 /6 /9 9 ; 10 :0 5 :13
Sca l ing :-24 0m -200m -1 60m -120 m -80m -40 m 0 4 0m 80m 120m 16 0m
169u
170u
171u
172u
173u
174u
175u
176u
177u
178u
179u
D 2 ID /D VX2
SMASH 4 .03 ; D C ana lys is ; D :\Os ca r\s im u l\Tes tes p a ra Te s e \Gum m e lbs im .ns x ; s ing le ; 10 /6 /99 ; 10 :07 :18
Sca l ing :-2 40m -200m -160 m -1 20m -80m -40 m 0 40m 80m 1 20m 160m 20 0m
-100 u
-80u
-60u
-40u
-20u
0
20u
40u
60u
80u
100u
ACM BSIM 3v3VG
D
S
B
E
E
Vx
Vx
![Page 35: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/35.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 35
II. Efecto modulación largo del canal (Early)
� El transistor en saturación no es una fuente de corriente ideal, tiene una conductancia de salida gd ≅ (ID/VA)
� VA∝ L
� En primera aproximación VA independiente de ID, en realidad existe dependencia notoria
ID
VDVA
Q
pendiente gd
VDSAT
VG1
VG2> VG1
VA: tensión de Early
![Page 36: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/36.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 36
Agenda
� I. Transistor MOS: Revisión de conceptos básicos.
� II. Transistor MOS: Modelado para diseño ULP.
� III. Transistor MOS: Modelo de pequeña señal.
![Page 37: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/37.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 37
III. Modelo de pequeña señal y baja
frecuencia en saturación
gm.vg
gms.vs
gd
DS
BG
vs
+ +
+--- vg
vd
G
S DB
� gm= (∂ID/∂VG), gms= n.gm, gd ≅ (ID/VA)
![Page 38: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/38.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 38
III. Frecuencias medias => capacidades
parásitas.
n+n+
GDS
B
p Si
extrinsic Csb extrinsic Cdb
Cgs overlap Cgd overlap
X
• Además capacidades
intrínsecas (en la parte
“interna” del
transistor).
•Capacidades
intrínsecas dependen
del nivel de inversión
y son proporcionales a
W.L.
•Capacidades
extrínsecas son
proporcionales a W.
![Page 39: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/39.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 39
III. Amplificador MOS intrínseco
A0=gm/gdA (dB)
f(Hz)
fT=gm/(2.π.CL)
V
vi
vo
CL
ID
DDV
vi
vo
CL
ID
DD
vi
vo
CL
ID
DD
A
D
m
d
mom0 V.
I
g
g
gr.gA ===
T
0
0
L
mT
f2
s.A1
AA ,
C2
gf
π+
=π
=
� Consumo: ID� Compromiso velocidad consumo:
gm/ID� Resultados similares en
amplificadores más complejos
OTA: Operational Transconductance Amplifier
![Page 40: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/40.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 40
III. gm/ID vs. VG
G
DGD
DD
m
V
)Ilog(VI
I
1
I
g
∂
∂=∂∂=
� gm/ID es la pendiente de la característica ID vs. VG en escala logarítmica
Máximo en WI
igual a 1/(n.UT)
n tip: 1.3 a 1.5
![Page 41: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/41.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 41
III. gm/ID vs. ID
10-15
10-10
10-5
100
0
5
10
15
20
25
30
35
40
ID(A)
gm/ID(1/V)
gm/Ic, transistor bipolar
� A mayor corriente disminuye la “eficiencia de generación de gm”
� Para operar a la máxima frecuencia que permite la tecnología
=> alto gm => alta corriente => inversión fuerte => baja eficiencia
Para un transistor
(W/L =100) y
tecnología (0.8µm) particular.
Transistor bipolar:
gm/IC independiente
de la corriente en
un gran rango
![Page 42: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/42.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 42
III. gm/ID y el tamaño del transistor
ID=µCox(W/L).f(VG, VS, VD) ( )
S
Dfnorm
ox
Dnorm
Dnormnorm
D
m
I
IiI
LWC
II
LW
IIf
I
g
==
=
==
)/(
)/( I
µ
Cuando efectos de canal corto son significativos:( )L,If
I
gnorm
D
m =
Cuando efectos de canal corto no son significativos:
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
0
5
10
15
20
25
30
ID/(W/L)(A)
gm/ID(1/V)
![Page 43: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/43.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 43
III. gm/ID y el modelo ACM
ftoxD
ftD
inCLW
I
inI
gm
2
2
1
11
21
φµ
φ
=
++=
� Modelo ACM, transistor en saturación
![Page 44: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/44.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 44
III. Resumen ecuaciones principales
Inversión
Débil Modelo General Inversión Fuerte
ID =
f(VG,
VS) T
SG
U.n
nVV
D eI
−
∝
( )[ ]
2TS
S
Df
0TGP
ffTSP
U..n2
1I ,
I
Ii
,n
VVVcon
,1i1ln2i1UVV
β==
−=
−++−+=−
( )
( )2S0TGn21
2SP2
1D
V.nVV
VV..nI
−−β
=−β=
gm/ID TU.n
1
1i1
2.
U.n
1
I
g
fTD
m
++=
S0TGD V.nVV
2
I.n
.2
−−=
β
VDSSAT TU.4≈ [ ] 3i1UV fTDSsat ++≅
n
VVV
VVV
Vn
VVVVV
0TGP
SDSsatDsat
S0TG
SPDSsat
−==
=+=⇒
−−
=−=
![Page 45: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/45.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 45
III. Metodología de diseño:
gm/ID variable clave [Silveira, Flandre, Jespers, IEEE JSSC 1996]
gm.vi gdVi
VO
CL
ID
VDD
CL
Vi VO
Ag
IV
g
C C
g
IIm
D
A
m
L L
m
D
D0
1
2
1
2= = = fT π π
0
10
20
30
40
1.E-12 1.E-10 1.E-08 1.E-06 1.E-04
ID(A)
gm
/ID
(1/V
)
10-12
10-10
10-8
10-6
weak inv.
mod. inv.
strong inv.
1/nUT 2/GVO
Desempeño de los circ.Modo de operación del trans.
Dimensionado del transistor
gm / ID
ID=µCox(W/L).f(VG, VS, VD)
( )g
If I
I
W L
II
C W L
m
Dnorm norm
D
normD
ox
= =
=
I
( / )
( / )µ
![Page 46: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/46.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 46
gm/ID: Variable guía
� Diseño Analógico con Transistor
Bipolar (BJT): gm = Ic/UT
– Básicamente 1 grado de libertad: Ic
� Diseño Analógico MOS:
gm = f(ID, W, L)
– 3 grados de libertad
– Tradicionalmente: solo parte del espacio
de diseño: la región de inversión fuerte
(sobre el umbral)
![Page 47: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/47.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 47
Modelos Deep Sub-Micron
![Page 48: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/48.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 48
III. Conclusiones: Modelado Transistor MOS
para Bajo Consumo
� El diseño analógico depende críticamente en las características del dispositivo.
� El diagrama de Memelink / Jespers es una herramienta muy práctica para el análisis del comportamiento del transistor MOS.
� Existen aplicaciones en que cada nA de consumo cuenta => es vital aprovechar al máximo las posibilidades del dispositivo.
� La metodología gm/ID, junto a un modelo adecuado de transistor o medidas, permite explorar el espacio de diseño.
![Page 49: Diseño de Ultra Bajo Consumo I. Modelado del Transistor ...silveira/archivos/eamta_2012/FS_eamta12_1.… · Amplificador / filtro Rectificador ideal Amplitud: decenas a centenas](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022042210/5eadfa2215eb62152572fe5e/html5/thumbnails/49.jpg)
F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2011, Buenos Aires, Argentina 49
Muchas Gracias !