Diplomado en semiconductores. MÓDULO 3.
Técnicas de Diseño de Circuitos Integrados Analógicos con Tecnología CMOS.
Objetivo.
Conocer las estructuras básicas para los procesos de diseño de circuitos integrados analógicos basado en tecnología CMOS, a partir del análisis paramétrico de los transistores tipo N y Tipo P, realizando simulaciones de su comportamiento con software especializado.
Logros formativos.
• Comprender el uso de los transistores nMOS y pMOS para diseñar circuitos integrados analógicos. • Tener la capacidad de utilizar software de simulación de circuitos electrónicos, utilizando transistores de la tecnología CMOS. • Tener la capacidad de diseñar y simular circuitos analógicos básicos, tales como circuitos de polarización y pequeños amplificadores de 1 o 2 transistores.
Introducción.
En la electrónica, a diferencia de los circuto eléctricos convencionales, las tensiones y corrientes aplicadas son, en general, señales que contienen información que el circuito procesará de algún modo.
Como ya se vio en el módulo 2, en los sistemas digitales, las señales son secuencias de números binarios; los valores altos y bajos de una corriente o tensión representan respectivamente los valores binarios uno y cero. Los circuitos electrónicos digitales realizan operaciones aritméticas y otras sofisticadas operaciones de procesamiento de información binaria, utilizando interconexiones de circuitos electrónicos de propósito especial llamados compuertas lógicas.
Introducción.
En los sistemas analógicos, la información se codifica en las formas de onda de tensiones o corrientes y el procesamiento podría traducirse en hacer la señal mayor o menor, en eliminar ruidos, cambiar su forma, detrminar el valor pico, medio o combinarla con otra señal.
Podemos identificar los circuitos electrónicos por la presencia de dispositivos especiales que modifican la forma de la señal o amplificarán su potencia.
Introducción.
En los circuitos analógicos, regularmente se asocia la señal de entrada a un transductor de entrada, o sea, dispositivos que convierten señales de variables físicas como el sonido, temperatura, presión, velocidad, peso, humedad, etc., en señales eléctricas codificadas en variaciones de tensión o corriente.
A estas señales se les denomina señales de corriente alterna (CA) porque varían con el tiempo, aunque en ocasiones la señal puede permanecer sin cambio por largos períodos de tiempo (corriente continua o CC), pero sigue siendo una señal, ya que contiene información.
Introducción.
Los diagramas que representan circuitos electrónicos muestran a menudo una resistencia especial en la salida, denominada carga o resistencia de carga, a través de la cual se transforma la señal de salida. La resistencia de carga representa a veces un transductor de salida que convierte la energía eléctrica en otra magnitud física.
En otros casos, la resistencia de carga, podría representar la entrada de otro circuito de procesamiento de señal, o simplemente comportarse como una resistencia.
Introducción.
Otra idea introducida en la electrónica es la polarización. Los dispositivos solo son capaces de amplificar señales debido a la conversión de potencia continua en potencia en la señal.
Por tanto, además de aplicar tensiones y corrientes continuas a las señales, debemos aplicarlas a los circuitos electrónicos. En consecuencia, en la mayor parte de los circuitos electrónicos, las señales de tensión y corriente se encuentran superpuestas sobre los niveles de polarización. Se requiere, por tanto, dos fuentes: una fuente de corriente directa para polarizar (alimentar) el circuito y una fuente de la señal que se debe procesar (un transductor, una fuente u otro circuito previo).
Características Tensión-Corriente y de Transferencia de los dispositivos.
Se utilizan tres descripciones distintas para analizar y diseñar circuitos electrónicos y ver la forma en que funcionan: (1) Ecuaciones matemáticas, (2) modelos de circuitos y (3) curvas gráficas.
Las ecuaciones matemáticas dan descripciones cuantitativas precisas de cada dispositivo. Los modelos de circuitos permiten el análisis sistemático de elementos conectados entre si mediante el uso de formalismos de la teoría de circuitos. Las representaciones gáficas facilitan el uso de las características humanas de reconocimiento de patrones para asociar los elementos con dispositivos ideales.
El elemento más utilizado es un gráfico que representa la corriente y la tensión de un dispositivo dado. Estos gráficos son conocidos como curvas vi (tension-corriente).
Modelado de los transistores MOS
Construcción de los transistores MOSFET. Para comprender el comportamiento de los tansistores MOS, primero retomaremos la estructura de construcción de los transistores, a fin de observar el porqué de sus características.
El transistor nMOS está fabricado en un substrato tipo P, que es una oblea de un solo cristal de silicio que brinda soporte físico al dispositivo (y a todo el circuito, en el caso de ser integrado). En dicho substrato P se crean dos regiones tipo N con gran cantidad de impurezas, indicadas en la figura como las regiones n+ de fuente y drenaje.
