Diseño de circuitos analógicos de baja tensión y bajo consumo empleando el seguidor de tensión FVF

Diseño de circuitos analógicos de baja
tensión y bajo consumo empleando el
seguidor de tensión FVF

Técnicas para reducir el consumo y la tensión de alimentación en
circuitos analógicos
La estrategia de diseño de los circuitos digitales de bajo consumo y baja tensión se ve
simplificada ya que su consumo es proporcional al cuadrado de la tensión de alimentación
y a la frecuencia de funcionamiento. Por ello, existen varios grados de libertad a la hora
de satisfacer unos requisitos dados en términos del valor de la tensión de alimentación,
consumo o frecuencia de trabajo [Kan94], [Cha95], San98], [Kuo99], [Roy00], [Kur02].
En contraste con los circuitos digitales, es muy difícil mostrar soluciones generales para
baja tensión y bajo consumo en circuitos analógicos. Esto se debe a que hay muchos tipos
de circuitos analógicos y muchas topologías para realizar cada función analógica.
Además, los circuitos analógicos tienen muchas especificaciones tales como, ancho de
banda, rango dinámico, respuesta en frecuencia, distorsión, precisión, respuesta
transitoria, tiempo de establecimiento, estabilidad y eficiencia. Por tanto, no es fácil
definir qué es "bajo consumo" en circuitos analógicos. El camino más adecuado para
definirlo es establecer un compromiso entre especificaciones contradictorias, como
precisión y respuesta en frecuencia, o ancho de banda y consumo de potencia [Pel99]. A
continuación se esbozan algunas pinceladas sobre técnicas de diseño analógico de bajo
consumo y baja tensión que han sido presentadas en los últimos años.
Bulk-driven MOSFET. Consiste en introducir la señal de entrada por el substrato. Esta
técnica permite eliminar las dificultades introducidas por las relativamente altas tensiones
umbrales. A pesar de que han sido empleadas en algunas aplicaciones [Die91], [Bla98],
[Raj02], este método no ha sido aceptado de forma generalizada debido a algunos
inconvenientes importantes, tales como, más baja transconductancia, mayor ruido, el
latch-up y la necesidad de disponer de dos substratos.
Multiplicadores de tensión. Esta técnica usa circuitos que cambian la tensión de una
parte del circuito a partir de la tensión de alimentación. El factor de conversión es mayor
que la unidad para aplicaciones de baja tensión. Esta técnica ha sido muy utilizada para
asegurar la adecuada operación de los interruptores en circuitos de capacidades
conmutadas [Fav97], [Abo99].
Baterías flotantes (desplazadores de nivel). Este método se utiliza para desplazar el nivel
de continua entre dos nodos en circuitos complejos, reduciendo así los requisitos de la
tensión de alimentación. Usando esta técnica, se pueden obtener circuitos analógicos de
gran ancho de banda y muy baja tensión [Ram99], [Ram00b].
Polarización subumbral. Cuando los transistores trabajan en inversión débil, el consumo
es mínimo debido a las pequeñas corrientes de polarización. Sin embargo, el área de
silicio se incrementa y la respuesta en frecuencia empeora. Para la mayoría de los
circuitos analógicos, el mejor compromiso entre área, consumo y velocidad se consigue
cuando el transistor trabaja en inversión moderada [Xie99], [Yan00].
Transistores MOS de puerta flotante. Este dispositivo es similar a un MOS
convencional, excepto que la tensión de la puerta flotante es controlada por múltiples
entradas a través de capacidades de acoplo. Su principal ventaja es que puede cambiar la
tensión umbral mediante la cantidad de carga estática en la puerta flotante. Esto permite
diseñar circuitos con rango de señal completa, muy baja tensión de alimentación y gran
ancho de banda. Además, reduce la complejidad del circuito, simplifica el procesamiento
de las señales y facilita el mecanismo de control. Tradicionalmente, esta técnica ha sido
empleada en memorias digitales, pero en los últimos años, se ha incrementado el número
de aplicaciones en circuitos analógicos [Rod00], [Jac01], [Muñ01a], [Ram01]. Entre sus
inconvenientes destacan su menor transconductancia, la necesidad de utilizar un proceso
de doble polisilicio y la carga atrapada en la puerta durante el proceso de fabricación.
Switched opamp. Se basa en reemplazar los interruptores críticos a la salida del
amplificador en circuitos de capacidades conmutadas. Esta técnica introduce elementos
adicionales pero el consumo de potencia no se ve afectado, ya que los amplificadores sólo
están activos durante la mitad del periodo; mientras que en los circuitos clásicos de
capacidades conmutadas, los amplificadores siempre están trabajando [Ste93], [Pel99].
Configuración diferencial. Estas topologías son muy deseables en la mayoría de las
aplicaciones debido a su inmunidad a las señales de ruido de modo común, que pueden
proceder de circuitos digitales dentro de un mismo circuito integrado. Además, tienen
mayor rango de señal y mejor distorsión respecto a las señales no diferenciales. Su
principal inconveniente es la necesidad de un circuito de control del modo común para
estabilizar las señales de salida.
Circuitos clase AB. Se caracterizan porque las corrientes de polarización pueden ser
programadas mucho más bajas que los valores máximos que pueden alcanzar. Como estos
circuitos no tienen limitación de slew-rate, pueden mejorar considerablemente el
compromiso entre velocidad y consumo en circuitos analógicos [Ada00], [Giu00b],
[Giu03]. Dentro de este tipo de circuitos, se puede destacar el "seguidor de tensión
rotado" (en inglés, Flipped Voltage Follower,FVF), que constituye una celda básica muy
adecuada para el diseño de circuitos de baja tensión de alimentación y bajo consumo. En
esta Tesis, se analiza en profundidad su topología y las diversas aplicaciones en las que se
ha utilizado.
Procesamiento en modo corriente. Para utilizar estas técnicas se necesitan circuitos que
hagan la conversión entre tensión y corriente, tales como transconductores. Estos
circuitos consiguen un buen comportamiento en frecuencia y un mayor rango dinámico
[Lee91], [Ram92a].
Motivación y objetivos
En los últimos años, el Grupo de Investigación de "Tecnología Electrónica" de la
Universidad de Sevilla, ha desarrollado una línea de investigación en el diseño de
circuitos analógicos de baja tensión y bajo consumo para sistemas de comunicaciones.
Esta Tesis pretende ser una contribución a este campo de investigación. En ella se
proponen nuevos circuitos analógicos usando el "seguidor de tensión rotado o celda FVF"
como una herramienta de diseño de bajo consumo y baja tensión.
El objetivo principal de la Tesis es proponer nuevas estrategias de diseño de baja tensión
y bajo consumo para circuitos analógicos. En este sentido nos marcamos las siguientes
líneas de trabajo:
• Estudiar la celda FVF, debido al potencial que le habíamos observado en
implementaciones precedentes. La versatilidad de su funcionamiento ha
provocado su uso en gran número de aplicaciones de baja tensión y bajo
consumo.
• Desarrollar nuevas celdas analógicas basadas en el FVF, a partir del análisis
realizado a las aplicaciones surgidas en los últimos años, y demostrar sus
prestaciones en aplicaciones, tanto en tiempo continuo como en tiempo discreto.
En todo momento se pretende la reducción del consumo de potencia analizando
las relaciones entre dicha reducción y el funcionamiento general del circuito. En
este sentido, se fijaron las siguientes aplicaciones:
o Diseñar un transconductor lineal, clase AB, de baja tensión de
alimentación y muy bajo consumo, basado en la celda FVF. Dicho
transconductor deberá tener, como características fundamentales, un bajo
consumo de potencia y un gran rango de variabilidad de su
transconductancia. Se aplicará al diseño de filtros Gm-C y osciladores
Gm-C controlados por tensión, con el objetivo de obtener un gran rango
de control de sus principales parámetros y un excelente comportamiento
en alta frecuencia.
o Proponer un buffer, para testado analógico con muy baja capacidad de
entrada y muy bajo consumo, basado en la celda FVF.
o Implementar un modulador sigma-delta usando como bloque de diseño
transconductores clase AB, basados en el FVF, muy útiles para
aplicaciones de capacidades conmutadas de bajo consumo y baja tensión
de alimentación.
o Fabricar circuitos integrados para demostrar que los circuitos y sistemas
diseñados pueden alcanzar un excelente funcionamiento con muy bajo
consumo de potencia.
1.3 Organización de la Tesis
Los contenidos de la Tesis están organizados de la siguiente forma:
El capítulo 2 introduce el "seguidor de tensión rotado o celda FVF" como una estructura
muy adecuada para aplicaciones de baja tensión y bajo consumo. Se analizan distintas
versiones de esta celda: Sensado de corriente (FVFCS), estructura diferencial (DFVF) y
par Pseudo-Diferencial (FVFDP), y algunas de sus aplicaciones realizadas en los últimos
años.
Los capítulos 3 y 4 describen las contribuciones de esta Tesis al diseño analógico en
tiempo continuo y en tiempo discreto, respectivamente.
En el capítulo 3, se propone un nuevo transconductor clase AB lineal y basado en el
FVFDP. Como todas las estructuras diferenciales, el transconductor necesita un circuito
de control de modo común para estabilizar las tensiones de salida. Sin embargo, debido a
su topología pseudo-diferencial, requiere un circuito adicional para controlar las
corrientes de modo común. La transconductancia puede ser ajustada en un amplio rango
de más de dos décadas a través de dos tensiones de control. Con objeto de mostrar sus
excelentes prestaciones, el transconductor ha sido utilizado en dos aplicaciones: la
primera, en el diseño de un filtro paso banda Gm-C con frecuencia central 10.7MHz.
Tanto la frecuencia central como el factor de calidad pueden ser controlados en un amplio
rango sin sufrir un apreciable incremento en el consumo de potencia. El rango del
consumo estático del filtro es 1.18mW – 1.8mW con una tensión de alimentación de 2V.
La segunda aplicación es el diseño de un oscilador controlado por tensión (VCO) donde
su frecuencia de oscilación puede ser controlada entre 1MHz y 22.8MHz. Con objeto de
comprobar el máximo comportamiento en frecuencia del transconductor clase AB, se
presenta también un VCO de alta frecuencia, con un rango de oscilación entre 2.6MHz y
70MHz. El capítulo termina con la presentación de un nuevo buffer clase AB para
aplicaciones de testado analógico o monitorización de señal con muy baja capacidad de
entrada y muy bajo consumo. Todos los circuitos han sido fabricados en tecnología
CMOS de 0.8μm de AMS, dentro de un mismo chip.
El capítulo 4 describe dos nuevos amplificadores operacionales de transconductancia para
aplicaciones de capacidades conmutadas. Para mostrar sus prestaciones, estos circuitos se
han empleado como integradores en un modulador sigma-delta de baja tensión y muy
bajo consumo. El sistema trabaja con una tensión de alimentación de 1.3V y consume
40μW. En simulación se consigue un rango dinámico de 86dB para un ancho de banda de
señal de 8kHz. El circuito ha sido fabricado en tecnología CMOS de 0.6μm de AMS.


http://www.google.co.ve/#hl=es&lr=lang_es&q=Fully+Differential+Operational+Amplifiers&start=110&sa=N&fp=991b8aa6cfee90

Danny Camperos   CRF

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