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LUS CLBER CARNEIRO MARQUES

TCNICA DE MOSFET CHAVEADO PARA FILTROS PROGRAMVEIS OPERANDO BAIXA

TENSO DE ALIMENTAO

FLORIANPOLIS 2002

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

TCNICA DE MOSFET CHAVEADO PARA FILTROS PROGRAMVEIS OPERANDO BAIXA

TENSO DE ALIMENTAO

Tese submetida Universidade Federal de Santa Catarina

como parte dos requisitos para a obteno do grau de

Doutor em Engenharia Eltrica.

LUS CLBER CARNEIRO MARQUES

Florianpolis, Novembro de 2002

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TCNICA DE MOSFET CHAVEADO PARA FILTROS PROGRAMVEIS OPERANDO BAIXA TENSO DE

ALIMENTAO

Lus Clber Carneiro Marques

Esta Tese foi julgada adequada para obteno do Ttulo de Doutor em Engenharia

Eltrica, rea de Concentrao em Sistemas de Informao, e aprovada em sua forma final

pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica da Universidade Federal de

Santa Catarina.

______________________________________

Mrcio Cherem Schneider Orientador

______________________________________

Carlos Galup-Montoro Co-orientador

______________________________________

Edson Roberto De Pieri Coordenador do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica

Banca Examinadora:

______________________________________ Mrcio Cherem Schneider

Presidente

______________________________________ Carlos Galup-Montoro

______________________________________ Sidnei Noceti Filho

______________________________________ Wouter Anton Serdijn

______________________________________ Jder de Lima

______________________________________ Antnio Petraglia

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Agradecimentos

A minha companheira, Cristiane, por dividir angstias e alegrias,

pela energia e pelo apoio constante durante esta fase de grande aprendizado.

Aos meus pais, Valdir e Luci,

pelo incentivo e, principalmente, pelo exemplo.

Ao meu orientador, Mrcio, pelo trabalho dedicado e extremamente competente, pela seriedade, pelo exemplo, pela amizade. Ao meu co-orientador, Carlos Galup-Montoro, pelas revises, pelo apoio e pelo interesse na minha boa formao. Ao meu orientador anterior, Sidnei Noceti Filho, por toda colaborao e pela boa vontade constante. Ao meu orientador na Holanda, Wouter Anton Serdijn, pela excelente acolhida e pela orientao competente. Ao amigo Volney Vincence, pela companhia e amizade durante estes longos anos e pelas tardes de chimarro e estudo. Ao amigo Daniel Rocha, pelo auxlio contnuo e pela boa vontade sem limites, sem os quais no teria sido possvel terminar os chips a tempo. Ao William, ao Spiller e a todo o pessoal do LCI que est sempre disposto a colaborar com uma coisa ou outra. Ao Loek, ao Koen, Marion e ao Ram, pela boa vontade e ajuda em Delft. Ao Eelco e ao Roelof, pelas aulas de holands. Ao Fabiano e ao Mauro, pelo squash (e pela Guinness!!).

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Resumo da Tese apresentada UFSC como parte dos requisitos necessrios para a obteno do grau de Doutor em Engenharia Eltrica.

TCNICA DE MOSFET CHAVEADO PARA FILTROS PROGRAMVEIS OPERANDO BAIXA TENSO DE

ALIMENTAO

Lus Clber Carneiro Marques

Novembro/2002

Orientador: Mrcio Cherem Schneider. rea de Concentrao: Sistemas de Informao. Palavras-chave: Circuitos analgicos, baixa-tenso, MOSFET chaveado. Nmero de Pginas: 123. O mercado e a necessidade de se implementar equipamentos portteis tm pressionado a

indstria a produzir circuitos com tenses de alimentao muito baixas. A tendncia

envolve a ambos circuitos, digitais e analgicos. Para o projeto de circuitos analgicos,

uma das mais srias limitaes que surgem quando a tenso de alimentao reduzida a

dificuldade de se ligar as chaves MOS em toda a excurso de tenso. A tcnica de

MOSFET chaveado (SM), recentemente introduzida, uma tcnica de dados amostrados

til para operao baixa tenso de alimentao visto que todas as chaves em circuitos SM

operam tenso constante dentro da faixa de conduo do MOSFET. Alm disso, a tcnica

SM no necessita nem de processos dedicados nem de esquemas de multiplicao de clock.

O bloco bsico de construo da tcnica SM um sample-and-hold (clula de meio atraso)

para baixa tenso composto de um amplificador operacional e transistores MOS operando

na regio triodo. A programao dos circuitos SM, a qual executada atravs de divisores

de corrente totalmente com MOSFETs (MOCDs), simples e no requer muita rea de

silcio. Neste trabalho, desenvolvida uma anlise matemtica da estrutura bsica SM, a

clula de meio atraso, e esquemas de compensao de offset so discutidos. A clula

implementada com tecnologia AMS 0,35m e resultados de testes so apresentados. Um

filtro programvel SM para baixa tenso tambm implementado, em um processo CMOS

de 1,6m. O filtro contm um conversor v/i, uma clula de meio atraso, uma seo

biquadrtica (contendo compensao de offset por auto-zero e MOCDs para programao)

e um conversor v/i.

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Abstract of Thesis presented to UFSC as a partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor in Electrical Engineering.

SWITCHED-MOSFET TECHNIQUE FOR PROGRAMMABLE FILTERS OPERATING AT LOW-

VOLTAGE SUPPLY

Lus Clber Carneiro Marques

November 2002

Advisor: Mrcio Cherem Schneider. Area: Information Systems. Keywords: Analogue circuits, low-voltage, switched-MOSFET. Number of Pages: 123. The market and the need to implement portable electronic equipment have pushed the

industry to produce circuit designs with very low-voltage power supply. This trend

addresses both analogue and digital circuits. For analogue design, a key limitation that

arises as the supply voltage is reduced is the difficulty of turning ON the MOS switches

over the entire voltage swing. The recently introduced switched-MOSFET (SM) technique

is a sampled-data technique suitable for low supply voltage operation since all SM

switches operate at a constant voltage within the conduction range of the MOSFET.

Besides, the SM technique does not need either dedicated processes or clock voltage

multiplication schemes. The basic building block of the SM technique is a low-voltage

sample-and-hold (half-delay cell) composed of an operational amplifier and MOS

transistors operating in the triode region. Programmability of SM circuits, which is

achieved through MOSFET-only current dividers (MOCDs), is simple and does not require

a large silicon area. In this work, a mathematical analysis of the very basic SM structure,

the half-delay cell, is developed, and offset compensation schemes are discussed. The

implementation of a half-delay cell with AMS 0.35m is described and measurement

results presented. An SM programmable low-voltage filter is also implemented, using a

1.6m CMOS process. The implemented filter contains a v-to-i converter, a half-delay

cell, a biquadratic section (using auto-zero offset compensation and MOCDs for

programming) and an i-to-v converter.

ix

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ndice

Lista de figuras ________________________________________________________ xiii Lista de tabelas _________________________________________________________ xv Lista de smbolos _______________________________________________________ xvii 1 Introduo_____________________________________________________________ 1

1.1 Digital e analgico.............................................................................................................. 1 1.2 Projeto de circuitos de baixa tenso e baixo consumo.................................................... 2

1.2.1 Gap de conduo das chaves ..................................................................................................... 5 1.2.2 Amplificador operacional sob baixa tenso de alimentao .................................................... 11

1.3 Programao .................................................................................................................... 11 1.4 Organizao do trabalho................................................................................................. 13

2 Tcnica de MOSFET chaveado ___________________________________________ 15

2.1 Introduo ........................................................................................................................ 15 2.2 Bloco bsico de construo da tcnica SM .................................................................... 16 2.3 Gerao da tenso de polarizao para circuitos SM................................................... 19 2.4 Programao e o MOCD................................................................................................. 21 2.5 Outras estruturas SM...................................................................................................... 23

2.5.1 Integrador de primeira gerao................................................................................................ 23 2.5.2 Integrador de segunda gerao ................................................................................................ 25 2.5.3 Biquad universal SM ............................................................................................................... 28

2.6 Sumrio...........................................................................................