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El modelado de circuitos es una herramienta fundamental para predecir el comportamiento de los circuitos CMOS, y en este capítulo se introduce un modelo adecuado para prever su rendimiento con un margen de error de ±10% a ±20%. Este nivel de precisión es suficiente para proporcionar al diseñador la comprensión e intuición necesarias sobre el circuito, mientras que las simulaciones por computadora pueden ofrecer una mayor exactitud, pero no proporcionan la misma comprensión directa del circuito.
Este modelo incluye tanto los modelos de señales grandes como de señales pequeñas de los MOSFET, con su dependencia en la frecuencia. Además, se abordan aspectos cruciales como la modelización del ruido y la dependencia de la temperatura de los MOSFETs, así como de los elementos pasivos compatibles. Se explica también cómo integrar estos modelos en simulaciones computacionales. Aunque este tema es vasto y su complejidad excede el alcance de este libro, se presentan algunas ideas básicas para que el lector pueda apreciar las simulaciones por computadora en el contexto de la modelización de circuitos.
La operación en el sub umbral es otro tema importante que se cubre, junto con el uso del software SPICE para simular circuitos MOSFET. Este es un paso crucial para los diseñadores de circuitos, ya que las simulaciones permiten verificar el comportamiento de los dispositivos en diferentes condiciones sin necesidad de construir el circuito físicamente.
La siguiente parte del texto se centra en subcircuitos clave y amplificadores que se utilizarán para diseñar circuitos analógicos más complejos, como amplificadores operacionales (op-amps). Se inicia con el uso del MOSFET como interruptor, seguido de la introducción del diodo MOS o resistor activo. Posteriormente, se presentan los subcircuitos más importantes como los sumideros y fuentes de corriente, y espejos de corriente, que permiten ilustrar conceptos de diseño fundamentales, tales como la retroalimentación negativa, los compromisos de diseño y los principios de emparejamiento.
Los subcircuitos también incluyen referencias de voltaje y corriente independientes, como la referencia de voltaje de banda de banda, que trata de proporcionar un voltaje o corriente independiente de la fuente de alimentación y la temperatura. Estos componentes son esenciales para garantizar la estabilidad y precisión de los circuitos, especialmente en aplicaciones sensibles a las variaciones ambientales.
El diseño de amplificadores es otro tema central de este capítulo. Los amplificadores se caracterizan por su desempeño tanto en señales grandes como pequeñas, incluyendo su respuesta en frecuencia, el ruido y el ancho de banda. Se abordan diferentes tipos de amplificadores, como el inversor, el diferencial, el cascode, el de corriente y el amplificador de salida.
A medida que se avanza en el diseño de circuitos más complejos, se introducen conceptos avanzados como los amplificadores de alto rendimiento. Estos amplificadores se optimizan para obtener mejores resultados en determinadas características, a menudo sacrificando otras, dependiendo de las necesidades específicas del diseño. Entre los tipos de amplificadores de alto rendimiento se incluyen los amplificadores con salida búfer, amplificadores de alta frecuencia, de bajo ruido, de bajo consumo y de bajo voltaje.
Uno de los temas más avanzados que se exploran en este contexto son los comparadores de lazo abierto, que funcionan sin compensación. La manera de diseñar estos comparadores para obtener respuestas lineales o de deslizamiento se aborda con detalle, junto con métodos para mejorar su rendimiento mediante técnicas como el auto-cero y la histéresis.
La transición entre la señal analógica y digital es otro punto crucial tratado en el capítulo 9, donde se presentan los convertidores digital-analógico y analógico-digital. Los convertidores digital-analógico se examinan según sus métodos de escalado de referencia, que incluyen las conversiones basadas en voltaje, corriente y carga. Posteriormente, se presentan técnicas para extender la resolución de estos convertidores, así como los convertidores analógico-digitales divididos en Nyquist y oversampling, los cuales son compatibles con la tecnología CMOS y permiten una resolución más alta.
Los lectores también encontrarán en los apéndices una variedad de temas útiles, como métodos de análisis de circuitos para circuitos CMOS, el diseño de layouts para circuitos integrados, la caracterización de dispositivos CMOS y las relaciones de dominio temporal y de frecuencia para sistemas de segundo orden. También se dedica un apéndice a los circuitos con capacitores conmutados, una tecnología cada vez más relevante.
A lo largo de este material, es importante comprender que cada uno de estos elementos y subcircuitos está interconectado. No solo se trata de entender cómo funcionan individualmente, sino también cómo interactúan entre sí dentro de un circuito más complejo. Las decisiones de diseño de amplificadores, subcircuitos y la elección de modelos de simulación deben tomar en cuenta no solo las características ideales de los componentes, sino también las limitaciones prácticas y las variaciones debidas a la temperatura, el ruido y otros factores del entorno. El modelado adecuado y la simulación precisa proporcionan una base para prever estos comportamientos de manera más eficiente y con mayor fiabilidad.
¿Cómo funcionan los subcircuitos CMOS analógicos y su aplicación en el diseño de circuitos complejos?
Los subcircuitos son bloques fundamentales en el diseño de circuitos CMOS analógicos. Estos pequeños circuitos, que generalmente contienen uno o más transistores, están diseñados para realizar funciones simples pero esenciales. Aunque cada subcircuito tiene una tarea específica, cuando se combinan, permiten la creación de circuitos más complejos. Un ejemplo claro de esta integración es el amplificador operacional, cuya complejidad surge de la unión de varios subcircuitos básicos que juntos realizan funciones más avanzadas, como se detallará en capítulos posteriores.
El amplificador operacional se puede descomponer en una serie de etapas que incluyen amplificadores diferenciales, etapas de ganancia y etapas de salida. Cada una de estas partes está formada por circuitos simples, que a su vez podrían incluir fuentes de corriente, pares acoplados por fuente, inversores, y cargas activas. Esta estructura modular demuestra cómo una idea central se puede extender en diferentes bloques con funcionalidades específicas, cada uno optimizado para una tarea dentro del sistema global.
Los subcircuitos de los circuitos CMOS más simples, como los interruptores MOS, las cargas activas, las fuentes y sumideros de corriente, los espejos de corriente, los amplificadores de corriente, así como los generadores de referencia de voltaje y corriente, constituyen los cimientos para el desarrollo de sistemas más sofisticados. Estos componentes básicos permiten que el diseñador pueda construir gradualmente circuitos complejos de acuerdo a las necesidades de la aplicación, desde circuitos de bajo consumo hasta amplificadores de alta precisión.
El interruptor MOS es un ejemplo de subcircuito elemental que tiene múltiples aplicaciones, especialmente en el ámbito de los circuitos con capacitores conmutados. Este tipo de conmutación se utiliza para la creación de filtros, multiplexores y moduladores, y también es clave en la implementación de puertas de transmisión en circuitos digitales. Los interruptores MOS controlados por voltaje, aunque simples en su funcionamiento, tienen características críticas que deben ser entendidas, como su resistencia en el estado ON (rON) y en el estado OFF (rOFF), así como los posibles desplazamientos de voltaje y las corrientes de fuga. Idealmente, estas resistencias deberían ser cero y las corrientes de fuga nulas, pero en la práctica, siempre existen desviaciones.
Es fundamental comprender que, en la realidad, los valores de rON y rOFF no son constantes y dependen de las condiciones de los terminales, lo que introduce una variabilidad que debe ser controlada en el diseño. Además, los dispositivos MOS presentan un voltaje de offset (VOS) entre los terminales A y B, lo que puede afectar el rendimiento del circuito en ciertas configuraciones. Estos detalles son cruciales para realizar un diseño eficaz, ya que un buen manejo de estos parámetros puede optimizar el comportamiento del interruptor en su estado operativo.
El diseño y análisis de estos subcircuitos requieren un conocimiento profundo de la teoría de dispositivos semiconductores, particularmente de los transistores MOS, así como la comprensión de cómo sus características no ideales impactan en el rendimiento de los circuitos. Además, el uso de simulaciones en SPICE, como se ha mencionado en otras secciones, es una herramienta poderosa para validar los modelos teóricos y predecir el comportamiento real de los circuitos. En particular, la simulación de la corriente i2 en función de v2 para diferentes valores de i1 puede ayudar a entender la interacción entre los componentes de un circuito de forma práctica.
Cuando se trabaja en el diseño de sistemas más complejos, como amplificadores y osciladores, es importante no solo enfocarse en los subcircuitos individuales, sino también en cómo estos se interconectan para lograr el rendimiento deseado. Las etapas de amplificación, por ejemplo, pueden involucrar la combinación de varios subcircuitos como pares acoplados por fuente y espejos de corriente, que ofrecen una alta ganancia y estabilidad en las señales amplificadas.
La creación de referencias de corriente y voltaje también es una función esencial en el diseño de circuitos CMOS analógicos, ya que estas referencias son fundamentales para mantener la estabilidad y precisión de los sistemas. Estas referencias pueden ser generadas mediante circuitos como los espejos de corriente, que permiten distribuir de manera eficiente las corrientes necesarias para los diversos componentes del circuito.
El diseño de subcircuitos CMOS analógicos no es solo una cuestión de combinar componentes de forma aleatoria; más bien, implica un proceso de selección y optimización de cada componente para garantizar que el sistema global opere de manera eficiente, con mínima distorsión y bajo consumo energético. Es en este nivel de diseño donde se establece la base para el desarrollo de sistemas electrónicos que serán utilizados en una amplia gama de aplicaciones, desde comunicaciones hasta instrumentación de precisión.
¿Cómo se desarrollan los amplificadores CMOS y cuál es su relevancia en circuitos de alta ganancia?
El amplificador CMOS se construye sobre la base de un conjunto de subcircuitos fundamentales. En este capítulo, se examina el funcionamiento de los amplificadores CMOS, comenzando desde el inverter, que constituye la estructura más básica de todos los amplificadores, hasta circuitos más complejos que permiten la obtención de altas ganancias. Para lograr una comprensión profunda de estos amplificadores, se estudian sus características tanto en grandes como en pequeños señales, lo que incluye el análisis del comportamiento de los transistores en su región de operación, la respuesta en frecuencia y otros factores determinantes como el ruido y la disipación de potencia.
Uno de los elementos clave al desarrollar amplificadores CMOS es el differential amplifier o amplificador diferencial, el cual se utiliza con frecuencia como etapa de entrada. Este amplificador permite aumentar la precisión y la estabilidad en el manejo de señales de entrada, pues puede amplificar la diferencia de voltaje entre dos entradas. Este concepto se expande con el cascode amplifier, que, al igual que el inverter, proporciona un rendimiento superior y un mayor control sobre las características de la señal pequeña. Este amplificador es particularmente útil en etapas de ganancia donde se necesita una compensación más precisa y un control sobre la respuesta en frecuencia.
El siguiente bloque dentro de la construcción de un amplificador CMOS es la etapa de salida, cuya principal función es impulsar una carga externa sin que se degrade el rendimiento global del amplificador de alta ganancia. La conexión entre estas etapas—entrada, ganancia intermedia y salida—es crucial para la integridad de la señal amplificada. En el desarrollo de esta tecnología, la utilización de transistores MOS en configuración diferencial o cascode, junto con la incorporación de técnicas de corrección de curvatura, posibilita el diseño de amplificadores con características muy precisas.
El análisis de los amplificadores CMOS se divide principalmente en dos tipos: el análisis de señales grandes y el análisis de señales pequeñas. En el primero, se estudian los límites de desplazamiento de la señal, las regiones de operación (corte, activa o saturada) y la ganancia de la etapa. En el segundo, se observa cómo los amplificadores responden a señales de bajo nivel, lo que permite identificar la resistencia de entrada y salida, así como la ganancia de señal pequeña. El modelo pequeño también incorpora los capacitores intrínsecos y parasitarios de los transistores, lo que permite evaluar la respuesta en frecuencia del amplificador.
En cuanto al comportamiento de los amplificadores en condiciones no ideales, se debe considerar la influencia del ruido, la dependencia de la temperatura y la disipación de potencia, factores que afectan la precisión y estabilidad del sistema. Estos elementos son especialmente relevantes en aplicaciones de alta precisión, donde pequeñas fluctuaciones pueden inducir grandes errores en el funcionamiento del dispositivo.
A medida que los amplificadores CMOS se hacen más complejos, se exploran técnicas avanzadas de análisis, como la aproximación del polo dominante, que se utiliza para resolver ecuaciones de segundo orden y mejorar la precisión en los cálculos de frecuencia de corte. Esta técnica se integra con otras estrategias y fórmulas algebraicas para optimizar el diseño y funcionamiento de circuitos CMOS en diversas aplicaciones.
El análisis de los amplificadores CMOS no solo se limita a su construcción, sino también a sus aplicaciones prácticas en circuitos integrados de alta eficiencia. En particular, el enfoque sobre los voltage references o referencias de voltaje es crucial para el diseño de amplificadores que requieren un comportamiento altamente controlado y predecible. Un ejemplo de esto es el desarrollo de referencias de voltaje CMOS con corrección de curvatura, como el bandgap reference, que mejora la estabilidad térmica y la precisión del sistema.
Es importante comprender que el diseño de amplificadores CMOS no se limita a la creación de estructuras lineales y simples. Las aplicaciones modernas requieren amplificadores con alta ganancia, estabilidad en una amplia gama de temperaturas y una disipación mínima de potencia. Esto exige el dominio de técnicas de diseño que permitan no solo una mayor eficiencia, sino también la minimización de efectos no deseados como el ruido y la variabilidad de los componentes.