Diseño de preamplificadores CMOS de alto desempeño para el acondicionamiento de estructuras MEMS

1. 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

2. 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

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

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

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

6. 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

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

8. ¿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

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

10. Compensación por Auto-Ceros Estado del arte • 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.

11. Compensación por Choppers Estado del arte • 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

12. Estabilización de Offset Estado del arte • 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.

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

14. Estabilización de Offset con Choppers Estado del arte • 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.

15. Tabla comparativa Estado del arte

16. 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. Justificación

17. Trabajo Propuesto

18. Trabajo Propuesto Parámetros en el estado del arte Ruido Offset

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

20. Trabajo Propuesto Tabla comparativa con trabajo propuesto

21. 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.

22. 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.

23. Metodología • Manufactura • Caracterización • Modelo matemático • Consorcio MOSIS • Proceso ON 0.5 µm • Osciloscopio • Generador de Señales

24. 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.

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

26. Referencias • Muñiz-Montero, C. (2008). New strategies for offset compensation in analog building blocks, PhD Thesis. InstitutoNacional de AstrofísicaÓptica 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. Duinmaijerand 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 InstrumentationAmplifierwith 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 Transistorsfor 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.

27. ¡Gracias por su atención! ¿Dudas? Comentarios