Comparación entre estructuras de linealización de transconductores en tecnología CMOS

Abstract

En este trabajo de tesis se presenta el análisis y la comparación de un conjunto de estructuras de linealización de transconductores. Los transconductores son circuitos utilizados en la implementación de filtros integrados analógicos que reemplazan a los resistores los cuales ocupan demasiada área dentro del circuito integrado. En el caso de la adquisición de señales ECG, se requieren de filtros que trabajen en bandas en el orden de mHz a cientos de Hz y eso implica que los valores de transconductancia se encuentren en el orden de los pS a nS. Obtener estos valores de transconductancia manteniendo un rango lineal adecuado representa un gran desafío para el diseñador de este tipo de bloques analógicos, siendo necesario emplear alguna estructura de linealización. Sin embargo, se debe realizar un análisis cuidadoso del efecto de estas estructuras en parámetros como ruido y offset. Un punto importante en esta tesis es el desarrollo de ecuaciones que modelan el comportamiento eléctrico de las estructuras de linealización. Estas permiten obtener de manera rápida y efectiva un amplio panorama de los principales compromisos entre los parámetros de desempeño: transconductancia, rango lineal, ruido, consumo de corriente y offset. Cabe mencionar que estas ecuaciones fueron obtenidas utilizando el modelo matemático ACM (Advanced Compact Mosfet Model) del transistor MOS. Este modelo es válido en todas la regiones de operación del transistor y en todos los niveles de inversión, es decir, utilizando una única ecuación se puede modelar el comportamiento del transistor en todas las condiciones. Debido a esto, las ecuaciones desarrolladas en esta tesis para las arquitecturas de linealización son válidas para todas las condiciones de polarización de los transistores, lo cual representa un aporte importante del presente trabajo. Se realizó el análisis de tres estructuras de linealización: par diferencial con resistencias de degeneración, estructura propuesta por Krummenacher y Joehl [1] y la estructura propuesta por Silva Martinez [2]. La especificación de diseño fue que el rango lineal sea el máximo posible para una transconductancia de 10nS y una desviación estándar del offset menor a 5mV. El proceso de fabricación considerado para el diseño tiene 0,35μm como mínima longitud de canal.