Técnica de Mosfet Chaveado Para Filtros Programáveis Operando à Baixa Tensão de Alimentação

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TCNICA DE MOSFET CHAVEADO PARA FILTROS PROGRAMVEIS OPERANDO BAIXA TENSO DE ALIMENTAO analgico digital

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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

  • ii

  • 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

    iii

  • iv

  • 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!!).

    v

  • vi

  • 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.

    vii

  • viii

  • 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

  • x

  • 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............................................................................................................................. 29 3 Anlise da clula de meio atraso __________________________________________ 31