Caracterização elétrica de amplificadores operacionais de transcondutância implementado com GC SOI MOSFETs

Abstract

Neste trabalho é apresentado um estudo da caracterização elétrica de amplificadores operacionais de transcondutância (OTA) implementados com transistores SOI de canal gradual (GC SOI) e, também fazer a validação do modelo especifico para a simulação de transistores desta tecnologia. Este modelo é denominado "LEVEL 25" e está implementado no programa SPICE ELDO da Mentor Graphics, na versão 6.0/32-bits. Na literatura há a descrição de resultados da caracterização elétrica e simulações de amplificadores operacionais de transcondutância, as quais foram feitas no simulador SPICE ICAP/4 da Intulsoft, na versão de 2004. Neste trabalho foi utilizado o simulador ICAP/4 na versão 8.0.11 de 2007 para reproduzir os resultados da literatura. O programa ICAP/4 não possui modelo específico para simulação de transistores SOI de canal gradual, portanto foi utilizada uma associação série assimétrica de dois transistores SOI convencionais. Nesta associação série, o primeiro transistor possui dopagem de 1·1017 cm-3 e, este é responsável pelas características elétricas do transistor da associação. O segundo transistor possui uma dopagem de 1·1015 cm-3 e possui uma tensão de limiar negativa, portanto, há a formação de canal mesmo sem aplicar tensão à porta. Em todos os OTAs há a presença de transistores SOI convencionais do tipo P, portanto foram realizadas simulações comparativas com os programas SPICE ICAP/4 e ELDO para verificar a existência de diferenças entre seus modelos. Das simulações dos transistores, foi constatado que há diferença entre os modelos quando operam na região de saturação. Nas curvas de IDS em função de VDS houve uma diferença de 20 % no valor de IDS obtido nas simulações do ELDO em comparação ao valor das simulações no programa ICAP/4 Para minimizar estas diferenças entre as correntes entre dreno e fonte, foi alterado o parâmetro da degradação da mobilidade. Após a alteração da degradação da mobilidade, a diferença entre as correntes foi de 4,10 %. Foram simulados oito OTAs divididos em dois grupos. Em um grupo estão os amplificadores operacionais de transcondutância de alto ganho. Este grupo possui cinco OTAs sendo que três são constituídos apenas por transistores SOI convencionais e dois são constituídos por transistores GC SOI do tipo N. Os OTAs constituídos apenas por transistores SOI convencionais foram utilizados como referência para comparações entre as tecnologias. Os resultados das simulações realizadas no programa SPICE ELDO apresentaram os mesmo valores de ganho de tensão de malha aberta do que as simulações do programa SPICE ICAP/4. Para a frequência de corte, o simulador SPICE ELDO apresentou um erro de 5 % em comparação com o resultado obtido no simulador SPICE ICAP/4. Para a frequência de ganho unitário, o erro máximo obtido foi de 13 % na comparação entre os resultados obtidos nas simulações dos programas SPICE ELDO e ICAP/4. No outro grupo analisado, estão os amplificadores operacionais de alta frequência de ganho unitário. Foram realizadas duas comparações para este grupo: entre medidas experimentais e simulações e entre medidas experimentais de OTAs com razões LLD/L distintas. Os ganhos de malha aberta foram obtidos à frequência de 1 kHz e, para esta frequência, os ganho de malha aberta simulado no programa SPICE ELDO foi de 35 dB e para o OTA medido experimentalmente foi de 36 dB. Portanto, não houve diferença entre os valores de ganho de malha aberta. Na comparação da diferença entre as razões de LLD/L, o OTA cuja razão LLD/L é igual a 0,45 obteve um ganho de malha aberta de 36 dB, o OTA com razão LLD/L é igual a 0,64 obteve um ganho de malha aberta de 35 dB e o OTA com razão LLD/L é igual a 0,68 obteve um ganho de malha aberta de 32 dB. O modelo do programa SPICE ELDO mostrou-se capaz de simular o comportamento real dos OTAs estudados neste trabalho. A tecnologia SOI de canal gradual mostrou-se melhor para utilização em aplicações analógicas "low-power low-voltage"

This paper presents a study of the electrical characterization of operational transconductance amplifiers (OTA) implemented with gradual channel SOI transistors, and also to validate specific model for the simulation of transistors of this technology. This model is called "LEVEL 25" and is implemented in SPICE program ELDO from Mentor Graphics, version 6.0/32-bits. In the literature there is a description of the results of electrical characterization and simulation of operational transconductance amplifiers. The simulations of this literature were made in the simulator SPICE ICAP/4 Intulsoft, the 2004 version. In this study we used the simulator ICAP/4 version 8.0.11, 2007 to replicate the results of the literature. The program ICAP/4 does not have any specific model for the simulation of graded-channel SOI transistor, so it was used an asymmetric series association of two transistors SOI. The first transistor of this association has doping of 1·1017 cm-3, and this is responsible for the electrical characteristics. The second transistor has a doping of 1·1015 cm-3 and has a negative threshold voltage, so there is the formation of channels in itself there is no voltage applied to the gate. Comparative simulations were performed with the SPICE programs ICAP/4 and ELDO to verify the existence of differences between their models to conventional SOI transistors, because in all the circuits of operational transconductance amplifiers for the presence of conventional SOI transistors of type P. Simulations of transistors, it was found that no difference between the models when they operate in the saturation region. In the curves of IDS as a function of a VDS, the difference of 20% in value obtained from simulations of IDS ELDO in comparison to the value obtained in the IDS ICAP/4. To minimize the differences between the currents between drain and source, the parameter changed was the mobility degradation. After changing the mobility degradation, the difference between the current was 4.10%. Were simulated eight operational transconductance amplifiers divided into two groups. In one group are operational transconductance amplifiers with high gain. This group has five amplifiers: three are made only by standard SOI transistors and two consist of graded-channel SOI transistors of N-type. The OTAs consisting solely of standard SOI transistors were used as reference for comparisons between technologies. The results of simulations in ELDO SPICE program had the same values of open-loop gain voltage of the simulations that the program's ICAP/4. For the cut-off frequency, the SPICE simulator ELDO introduced an error of 5% compared with the results obtained in the SPICE simulator ICAP/4. For the unity gain frequency, the maximum error of 13% was obtained when comparing the simulation results of the programs ELDO SPICE and ICAP/4. In another group examined, the operational amplifiers are high unity gain frequency. There were two comparisons for this group: between experimental measurements and simulations and experimental measurements of the OTAs with reasons LLD/L distinct. The open loop gains are obtained at a frequency of 1 kHz, in which the gain region is more stable. For this frequency, the open-loop gain for the high frequency OTA simulated unity gain was 35dB and for an OTA experimentally measured was 36 dB. So there was no difference between the values of open loop gain. Comparing the difference between the reasons for LLD/L, OTA whose reason LLD/L is equal to 0.45 obtained an open-loop gain of 36 dB, the OTA rightly LLD/L is equal to 0.64 obtained a open loop gain of 35 dB and OTA rightly LLD/L is equal to 0.68 obtained an open-loop gain of 32 dB. This difference is due to the increase ratio LLD/L, the transconductance of the transistors is reduced, less mobile near the drain region due to the increased vertical electric field. T