INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALCENTRO DE INVESTIGACION EN COMPUTACION

LABORATORIO DE MICROTECNOLOGÍA Y SISTEMAS EMBEBIDOS

Diseño de preamplificadores CMOS de alto desempeño para el acondicionamiento de

estructuras MEMS

Alumno: Rodolfo Sánchez FragaDirectores: Dr. Víctor Hugo Ponce Ponce

Dr. Carlos Muñiz Montero

ContenidoComité Tutorial

Dr. Víctor Hugo Ponce Ponce Dr. Carlos Muñiz Montero Dr. Luis Alfonso Villa Vargas Dr. José Luis Oropeza Rodríguez Dr. Marco Antonio Ramírez Salinas Dr. Herón Molina Lozano

2

Contenido

Introducción Estado del arte Justificación Trabajo propuesto Objetivo Objetivos Específicos Metodología Cronograma de actividades Trabajo futuro Referencias

Contenido

3

ContenidoIntroducción

4

Generan señales muy pequeñas (a veces de μV).

Esas señales se procesan mejor en el chip.

Sensores MEMS

ContenidoIntroducción

5

Los amplificadores son necesarios en sistemas de medición.Amplificadores

Sensor MEMS

Preamplificador CMOS

Señal

Se busca tener la mayor resolución posible

ContenidoIntroducción

6

Incremento en resolución de sensores MEMS

Offset Ruido Distorsión Insensibilidad a variaciones de

temperatura*

Consumo de potencia

Parámetros que se pueden optimizar

Al compensar el offset, también se reduce el efecto de estos

parámetros

*Por comprobar

Compromiso de diseño: Exactitud-Potencia-Velocidad

Contenido

Offset• Nivel de entrada en un amplificador que necesario para

un nivel de salida de 0.• Se debe principalmente al mismatch

Introducción

7

¡El offset en amplificadores CMOS esta en el rango de mV!

Contenido

¿Por qué CMOS?Tecnología preferida en diseño de circuitos analógicos.

Relativamente de bajo costo Posibilita la integración de procesamiento digital

de señal de bajo consumo.

Se han desarrollado distintas técnicas para compensar el problema del offset de entrada.

Introducción

8

Contenido

Compensación de Offset

Estado del arte

9

Técnicas de Compensaci

ón

Estáticas

Dinámicas

• Calibración durante producción.

• Calibración por el usuario.• Layout

• Auto-Ceros• Chopper• Estabilización

Contenido

Compensación por Auto-Ceros

Estado del arte

10

Ventajas• Mejor ancho de banda.

Desventajas• Inyección de carga debida a los

switches.• Rango de salida reducido.• No se puede implementar en

aplicaciones de tiempo continuo.

Contenido

Compensación por Choppers

Estado del arte

11

Ventajas• Se puede implementar en

aplicaciones de tiempo continuo.

Desventajas• Ondulaciones en la señal de salida

con frecuencia igual al reloj del chopper.

• Ancho de banda limitado.• Complejo de diseñar

Contenido

Estabilización de Offset

Estado del arte

12

Ventajas• Trabaja en tiempo continuo

Desventajas• Requiere de una técnica de

compensación extra ya que el amplificador de compensación requiere un offset bajo.

• Solo trabaja con amplificadores de retroalimentación negativa.

Contenido

Estabilización de Offset con Auto-Ceros

Estado del arte

13

Ventajas• Trabaja en tiempo continuo

Desventajas• Inyección de carga debida a los

switches.• Mayor ruido referido a la entrada

en bajas frecuencias.

Contenido

Estabilización de Offset con Choppers

Estado del arte

14

Ventajas• Mejor desempeño que

estabilización con auto-ceros con

respecto al ruido y offset.• Disminuye ruido en bajas

frecuencias

Desventajas• Complejo y difícil de diseñar.• Disminuye ancho de banda.• Filtro de baja frecuencia difícil de

diseñar.

Contenido

Tabla comparativa

Estado del arte

15

Autozero

Chopper R-Trimming

F-Gate FDSFI

Modo Muestreo Continuo Continuo Continuo Continuo

Offset Moderado

Bajo Bajo Bajo Bajo

Ancho de banda

Alto Bajo Alto Alto Alto

Complejidad Moderada

Alta Moderada Baja Baja

Área extra Moderada

Moderado Moderada Baja Baja

Potencia extra Moderada

Moderado Baja Baja Baja

Compensación de offset

Periódica Continua Largo plazo Largo plazo Continua

Ruido 1/f Reducido Reducido Sin efecto Sin efecto Reducido

Ruido blanco Alto Sin efecto Sin efecto Sin efecto Sin efecto

Tratamiento después de fabricado

No requerido

No requerido

Requerido Requerido No requerid

o

Contenido

MEMSTener una metodología de acondicionamiento para las crecientes aplicaciones de MEMS.

EconómicoDiseño simple para incrementar la producción (yield) sin incrementar costos.

Aplicaciones portátilesMétodos de compensación simple para obtener bajo

consumo de potencia.

Justificación

16

ContenidoTrabajo Propuesto

17

21

121

21__

1os

Vos

VV

mmreferredinputos V

AV

AAgg

V

ContenidoTrabajo Propuesto

18

Parámetros en el estado del arte

Offset

Offset(Promedio)

-1.4 μV

Desviación promedio absoluta

0.5μV

Ruido Offset

ContenidoTrabajo Propuesto

19

Ventajas• Menor área requerida.• Menor consumo de potencia (se

mejora el compromiso: exactitud-potencia-velocidad)

• Respuestas en AC casi no se ven afectadas.

• Operación en tiempo continuo.• Cerca de una estrategia de

compensación de offset ideal.

Desventajas• No trabaja en DC.• Filtros pasa bajas menores a 1KHz

son difíciles de implementar.

PropuestaUsar Resistencias a partir de transistores en subumbral.

ContenidoTrabajo Propuesto

20

Autozero

Chopper R-Trimming

F-Gate FDSFI

Modo Muestreo Continuo Continuo Continuo Continuo

Offset Moderado

Bajo Bajo Bajo Bajo

Ancho de banda

Alto Bajo Alto Alto Alto

Complejidad Moderada

Alta Moderada Baja Baja

Área extra Moderada

Moderado Moderada Baja Baja

Potencia extra Moderada

Moderado Baja Baja Baja

Compensación de offset

Periódica Continua Largo plazo Largo plazo Continua

Ruido 1/f Reducido Reducido Sin efecto Sin efecto Reducido

Ruido blanco Alto Sin efecto Sin efecto Sin efecto Sin efecto

Tratamiento después de fabricado

No requerido

No requerido

Requerido Requerido No requerid

o

Tabla comparativa con trabajo propuesto

ContenidoObjetivo

21

Desarrollar una metodología de diseño de preamplificadores de muy alto desempeño para el acondicionamiento de sensores MEMS de alta resolución a partir de arreglos de compensación de offset diseñados con elementos altamente resistivos.

ContenidoObjetivos Específicos

22

Obtener el estado del arte que sustente el trabajo propuesto.

Diseñar y simular preamplificadores mediante herramientas software.

Comparativa entre el trabajo propuesto y la técnica de estabilización de offset con choppers.

Fabricar un prototipo del preamplificador en circuito integrado para validar la teoría.

ContenidoMetodología

23

Diseño Esquemático

• Tanner-Tools

• Mentor Graphics

• Modelo Matemático

Simulación

• HSpice• Mentor

Graphics

• Modelos de Simulación BSIM3.1

Layout

• L-Edit• Mentor

Graphics

• Reglas de Diseño de Layout

Manufactura

• Consorcio MOSIS

• Proceso ON 0.5 µm

Caracterización

• Osciloscopio

• Generador de Señales

Modelo matemático

ContenidoCronograma de actividades

24

1. Estudio del estado del arte y aplicaciones.2. Diseño y Simulación de preamplificadores.3. Diseño y Simulación del layout.4. Fabricación.5. Mediciones, publicación de resultados y preparación de la defensa de tesis.

PRIMER AÑO SEGUNDO AÑO

Actividad

nov dic ene feb mar

abr may

jun jul ago sep oct nov dic ene feb mar

abr may

1

2

3

4

5

ContenidoTrabajo futuro

25

Metodología de diseño de amplificadores de alta ganancia.

Análisis de estabilización con compensación por choppers. Análisis de ruido.

ContenidoReferencias

26

1. Muñiz-Montero, C. (2008). New strategies for offset compensation in analog building blocks, PhD Thesis. Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, Tonantzintla, Mexico.

2. Muñiz-Montero, C., R. González-Carvajal, A. Díaz and M. Rocha (2007b). “New strategies to improve offset and the speed-accuracy-power tradeoff in CMOS amplifiers”. Journal of Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 84(11), 1584–1614.

3. Pelgrom, M. J. M., A. C. J. Duinmaijer and A. P. G. Welbers (1989). “Matching Properties of MOS Transistors”. IEEE Journal of Solid-State circuits, 24(5), 1433-1439.

4. Witte, J. F., A. A. Kofi and J. H. Huijsing (2007). “A CMOS Chopper Offset Stabilized Opamp”. IEEE Journal of Solid-State circuits, 42(7), 1529-1535.

5. Enz, C. and G. C. Temes (1996). “Circuit techniques for reducing the effects of opamp imperfections: autozeroing, correlated double sampling and chopper stabilization”. Procedings of the IEEE, 84(11), 1584–1614.

6. Bakker, A., Thiele, K. And Huijsing, J. H. “A CMOS Nested-Chopper Instrumentation Amplifier with 100-nV Offset”. IEEE Journal of Solid-State circuits, 35(7), 1877-1883.

7. Srinivasan, V., Serrano, G., Gray, J. and Hasler, P. “A Precision CMOS Amplifier Using Floating-Gate Transistors for Offset Cancellation”. IEEE Journal of Solid-State circuits, 42(2), 280-291.

8. Steyaert, M. and et al (1997). “Custom analog low power design: the problem of low voltage and mismatch”. IEEE 1997 Custom Integrated Circuits Conference, Santa Clara, CA, USA, 285–292.

9. Manolescu, A. and C. Popa (2009). “Low-voltage low-power improved linearity CMOS active resistor circuits”. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 62(3), 373–387.

10.Witte, J. F., A. A. Kofi and J. H. Huijsing (2009). Dynamic Offset Compensated CMOS Amplifiers. First Edition. Springer, Boston/Dordrecht/London.

Contenido

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27

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