Amplificador operacional de transcondutância de dois estágios projetado com tecnologia CMOS

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Data

2023-12-08

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Com o constante avanço tecnológico, a busca pela melhoria contínua da eficiência dos dispositivos eletrônicos intensificou os estudos em diversas áreas da eletrônica. A tecnologia MOSFET hoje é a principal tecnologia utilizada nos circuitos com alta densidade de integração devido à alta capacidade de miniaturização de suas dimensões. Além das dimensões, a tensão de alimentação vem sendo reduzida com a evolução dos circuitos integrados. Essa diminuição levou a uma economia efetiva no consumo de potência dos circuitos com o avanço de seus nós tecnológicos. Neste trabalho, foi projetado um amplificador operacional de dois estágios de forma integrada com tecnologia MOS por meio do software Microwind 2 na tecnologia de 1,2m. Além disso, estudou-se o quanto o avanço da tecnologia (redução dos nós tecnológicos) afetaria este projeto. As diferenças encontradas foram avaliadas de maneira comparativa, considerando-se a resposta do circuito em quatro nós tecnológicos: 1,2 μm, 0,6 μm, 0,35 μm e 0,13 μm. As figuras de mérito consideradas foram: área ocupada, a potência consumida, o ganho de tensão e largura da banda útil passante do sinal. Em relação ao projeto realizado, para o primeiro estágio, foi percebido um ganho máximo de tensão na faixa de 32 dB, o qual permanece quase que inteiramente constante até os 37MHz, o que representa a faixa de frequências médias. Posteriormente, pôde ser identificado um decaimento constante de 20dB por década, até chegar na frequência de ganho unitário de 1,080GHz, que representa um GBW (Gain-Bandwidth Product) de 1,080GHz. Com a adição do segundo estágio, ocorreu uma melhora significativa na resposta do circuito, como por exemplo uma maior faixa de ganho constante e um incremento do GBW total do circuito. Com a diminuição do nó tecnológico, obteve-se melhorias no ganho e na largura de banda do sinal, entre outros fatores. No entanto, pode ser visto um ponto de estagnação, onde os efeitos pela diminuição das dimensões dos transistores são significativos e outras estratégias de projetos são necessários para contornar os problemas observados.
With the constant technological advancement, the pursuit of continuous improvement in the efficiency of electronic devices has intensified studies in various areas of electronics. MOSFET technology is currently the primary technology used in circuits with high integration density due to its high capacity for dimension miniaturization. In addition to dimensions, the supply voltage has been reduced with the evolution of integrated circuits. This decrease has led to an effective power consumption reduction in circuits with the advancement of their technological nodes. In this study, a two-stage operational amplifier was designed in an integrated form with MOS technology using the Microwind 2 software in the 1.2 μm technology. Additionally, the impact of technological advancement (reduction of technological nodes) on this design was investigated. The differences found were comparatively evaluated by considering the circuit response at four technological nodes: 1.2 μm, 0.6 μm, 0.35 μm, and 0.13 μm. The considered figures of merit were: occupied area, power consumption, voltage gain, and signal bandwidth. Regarding the conducted project, for the first stage, a maximum voltage gain in the range of 32 dB was perceived, which remains almost entirely constant up to 37 MHz, representing the mid-frequency range. Subsequently, a constant decay of 20 dB per decade could be identified until reaching the unity gain frequency of 1.080GHz, representing a Gain-Bandwidth Product (GBW) of 1.080 GHz. With the addition of the second stage, there was a significant improvement in the circuit response, such as a larger range of constant gain and an increase in the overall Gain-Bandwidth Product (GBW) of the circuit. With the reduction of the technological node, improvements in gain and signal bandwidth, among other factors, were achieved. However, a point of stagnation was found where the effects of reducing the transistor dimensions became significant, and alternative design strategies are necessary to overcome the observed issues.

Descrição

Palavras-chave

Eletrônica, Amplificadores operacionais, Transistores de efeito de campo de semicondutores de oxido metalico

Como citar

SOUSA, G. R. Amplificador operacional de transcondutância de dois estágios projetado com tecnologia CMOS. 2023. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações) — Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", São João da Boa Vista, 2023.