Diseño de preamplificadores CMOS de alto desempeño para el acondicionamiento de estructuras MEMS Alumno: Rodolfo Sánchez Fraga Directores: Dr. Víctor Hugo Ponce Ponce Dr. Carlos Muñiz Montero

Comité 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

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

Introducción Sensores MEMS Generan señales muy pequeñas (a veces de μV). Esas señales se procesan mejor en el chip.

Introducción Amplificadores Los amplificadores son necesarios en sistemas de medición. Sensor MEMS Preamplificador CMOS Señal Se busca tener la mayor resolución posible

Introducción Incremento en resolución de sensores MEMS Offset Ruido Distorsión Insensibilidad a variaciones de temperatura* Consumo de potencia Al compensar el offset, también se reduce el efecto de estos parámetros Compromiso de diseño: Exactitud-Potencia-Velocidad Parámetros que se pueden optimizar *Por comprobar

¡El offset en amplificadores CMOS esta en el rango de mV! Introducción Offset Nivel de entrada en un amplificador que necesario para un nivel de salida de 0. Se debe principalmente al mismatch ¡El offset en amplificadores CMOS esta en el rango de mV!

Introducción ¿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.

Técnicas de Compensación Estado del arte Compensación de Offset Calibración durante producción. Calibración por el usuario. Layout Estáticas Técnicas de Compensación Auto-Ceros Chopper Estabilización Dinámicas

Estado del arte Compensación por Auto-Ceros Ventajas Desventajas 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.

Estado del arte Compensación por Choppers Ventajas Desventajas 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

Estado del arte Estabilización de Offset Ventajas Desventajas 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.

Estado del arte Estabilización de Offset con Auto-Ceros Ventajas Trabaja en tiempo continuo Desventajas Inyección de carga debida a los switches. Mayor ruido referido a la entrada en bajas frecuencias.

Estado del arte Estabilización de Offset con Choppers 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.

Estado del arte Tabla comparativa Autozero Chopper R-Trimming F-Gate FDSFI Modo Muestreo Continuo Offset Moderado Bajo Ancho de banda Alto Complejidad Moderada Alta Baja Área extra Potencia extra Compensación de offset Periódica Continua Largo plazo Ruido 1/f Reducido Sin efecto Ruido blanco Tratamiento después de fabricado No requerido Requerido

Justificación MEMS Tener una metodología de acondicionamiento para las crecientes aplicaciones de MEMS. Económico Diseño simple para incrementar la producción (yield) sin incrementar costos. Aplicaciones portátiles Métodos de compensación simple para obtener bajo consumo de potencia.

Trabajo Propuesto

Trabajo Propuesto Parámetros en el estado del arte Ruido Offset Offset Offset(Promedio) -1.4 μV Desviación promedio absoluta 0.5μV

Trabajo Propuesto Ventajas Desventajas 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. Propuesta Usar Resistencias a partir de transistores en subumbral.

Trabajo Propuesto Tabla comparativa con trabajo propuesto Autozero Chopper R-Trimming F-Gate FDSFI Modo Muestreo Continuo Offset Moderado Bajo Ancho de banda Alto Complejidad Moderada Alta Baja Área extra Potencia extra Compensación de offset Periódica Continua Largo plazo Ruido 1/f Reducido Sin efecto Ruido blanco Tratamiento después de fabricado No requerido Requerido

Objetivo 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.

Objetivos Específicos 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.

Metodología Modelo matemático Caracterización Manufactura Osciloscopio Diseño Esquemático Tanner-Tools Mentor Graphics Modelo Matemático Simulación HSpice Modelos de Simulación BSIM3.1 Layout L-Edit Reglas de Diseño de Layout Modelo matemático Caracterización Manufactura Osciloscopio Generador de Señales Consorcio MOSIS Proceso ON 0.5 µm

Cronograma de actividades Estudio del estado del arte y aplicaciones. Diseño y Simulación de preamplificadores. Diseño y Simulación del layout. Fabricación. 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 1 2 3 4 5

Trabajo futuro Metodología de diseño de amplificadores de alta ganancia. Análisis de estabilización con compensación por choppers. Análisis de ruido.

Referencias Muñiz-Montero, C. (2008). New strategies for offset compensation in analog building blocks, PhD Thesis. Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica, Tonantzintla, Mexico. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Witte, J. F., A. A. Kofi and J. H. Huijsing (2009). Dynamic Offset Compensated CMOS Amplifiers. First Edition. Springer, Boston/Dordrecht/London.

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