Projeto de um amplificador operacional cmos de dois estágios e simulação elétrica do efeito de dose total

Abstract

Este trabalho tem o objetivo de, inicialmente, fazer uma análise das fontes de radiação relevantes para aplicações de circuitos integrados em ambientes aeroespaciais. Em seguida se discute o efeito da radiação ionizante sobre estes circuitos integrados. Para o estudo do caso foi realizado o projeto de um amplificador operacional de dois estágios para as tecnologias de 350nm e 130nm, no qual foi testado, através de simulação elétrica, o efeito de dose ionizante total, verificando seu impacto sobre o desempenho destes. O efeito da dose total foi testado inicialmente de maneira simples, alterando-se os valores da tensão de limiar (VTh), bem como adicionada corrente de fuga em cada transistor, para o valor de radiação testado, conforme dados disponíveis na literatura. Em seguida foi realizada a análise de pequenos sinais para ambos os amplificadores, com o objetivo de verificar a degradação de desempenho. Em um segundo momento se repetiu a análise de pequenos sinais, porém juntamente com a análise de Monte Carlo, também em ambos os amplificadores. A análise de Monte Carlo permitiu verificar o comportamento do amplificador no caso em que há uma componente aleatória no impacto da radiação sobre o desempenho do circuito. Isto é, a situação em que os parâmetros dos transistores não são afetados (alterados) de maneira idêntica. Por fim, através da simulação elétrica, foi possível identificar as partes do amplificador operacional mais sensíveis à radiação, relacionando as com o descasamento dos transistores casados devido a radiação.

This work aims at, initially, make a brief review on the main radiation sources of relevance for integrated circuits operating in aero-space environments. The effect of ionizing radiation on MOS devices is also discussed. The design of a two stages operational amplifier of 350nm and 130nm technology is also performed. The response of the operational amplifier to total ionizing dose (TID) will be evaluated trough electric simulation. This effect will be initially evaluated in a simple way, that is, changing its threshold voltage (Vth) values and adding a leakage current in each transistor, according to the data found in the literature. Then the small signal analyses of is performed in both amplifiers, in order to evaluate the performance degradation. In a second moment the small signal analyses is repeated but now in the context of Monte Carlo simulations, in order to evaluate the situation in which the radiation does not change the parameters of all transistors by exactly the same amount. Finally, further electrical simulations are performed in order to identify the components of the operational amplifier that are most sensitive to radiation relating to the mismatch of transistors married due to radiation.