¿Cómo mejorar el rendimiento de los comparadores y optimizar sus puntos de disparo?

En el análisis de comparadores, es esencial comprender los detalles de sus puntos de disparo, especialmente cuando se trata de circuitos que funcionan con alta precisión. Para entender cómo se llega a estos puntos de disparo y cómo se pueden mejorar, consideremos el funcionamiento de un comparador simple, el cual compara dos señales de entrada para determinar un cambio de estado.

Un comparador típicamente consiste en una etapa diferencial en la que las señales de entrada se aplican a las compuertas de transistores MOS, y donde se genera una salida binaria dependiendo de cuál de las entradas tiene el valor más alto. El comportamiento de un comparador se puede entender mediante el análisis de los voltajes de puerta-fuente (vGS) de los transistores involucrados. Por ejemplo, en el caso de un comparador con histeresis, el cambio de estado del comparador ocurre cuando se alcanza un punto de disparo, que se puede calcular utilizando las ecuaciones de vGS para los transistores M1 y M2.

Consideremos el caso de un comparador ideal en el que, cuando la señal de entrada es muy positiva y disminuye hacia el punto de disparo negativo, el voltaje de vGS de los transistores involucrados se calcula de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

Este tipo de comparador se caracteriza por un cambio de estado, el cual se produce cuando la mayoría de la corriente de cola fluye ahora a través de los transistores M2 y M4, lo que a su vez activa el transistor M7 y desactiva los transistores M3, M6 y M1. A medida que la entrada disminuye, la corriente en M1 aumenta hasta igualar la corriente en M7. Este punto se considera el punto de disparo negativo V2 TRP.

El comparador con condensadores conmutados se basa en la conmutación de capacitores y comparadores de lazo abierto. Una de sus ventajas principales es que las señales diferenciales pueden ser comparadas utilizando circuitos de salida sencilla. Este tipo de comparador también se presta naturalmente a la compensación automática de la corriente continua (offset) del comparador de lazo abierto. Durante el ciclo de conmutación, el condensador C se utiliza para eliminar el voltaje de desplazamiento VOS del comparador. Este tipo de comparador es especialmente útil cuando se requiere precisión en las mediciones y cuando las señales de entrada tienen una gran diferencia en voltaje.

Por otro lado, el comparador regenerativo, también llamado "latch" o bistable, utiliza retroalimentación positiva para realizar la comparación de señales. El principio básico de funcionamiento de este comparador se basa en una estructura simple de transistores MOS cruzados, que, al activarse, producen una salida binaria estable. Estos comparadores regenerativos son muy rápidos y eficientes, ya que tienden a entrar en un estado estable rápidamente después de que se les presenta una señal de entrada.

En el diseño de circuitos comparadores, uno de los aspectos más relevantes es la implementación de una etapa de salida adecuada, ya que la etapa diferencial por sí sola no es suficiente para lograr un rango de voltaje de salida adecuado y una resistencia de salida apropiada. Un ejemplo de esta etapa de salida es el convertidor diferencial a sencillo que se utiliza para proporcionar una capacidad de conducción de tipo Clase AB.

Al diseñar comparadores, es fundamental tener en cuenta las especificaciones de velocidad, precisión y capacidad de compensación de desplazamientos, ya que estas características determinan la eficiencia y fiabilidad del comparador en aplicaciones reales.

¿Cómo afecta el diseño de transistores y resistores en la precisión de los circuitos integrados?

En el diseño de circuitos integrados, la disposición de los componentes es crucial para garantizar su rendimiento y precisión. La forma en que los transistores y resistores se organizan dentro del chip influye directamente en la calidad de la señal y en el consumo de energía, dos aspectos fundamentales para cualquier dispositivo electrónico.

Otro factor a tener en cuenta es la proximidad de los transistores al óxido de trinchera superficial (STI, por sus siglas en inglés), que también puede influir en su desempeño. En situaciones donde los transistores están demasiado cerca del STI, las tensiones inducidas por esta región pueden hacer que los transistores situados en los bordes del área activa tengan un rendimiento diferente al de los transistores ubicados en el centro. Para minimizar este efecto, se pueden incluir transistores de "relleno" (dummy transistors) que ayudan a igualar las distancias y mejorar la uniformidad del rendimiento en todo el chip.

En cuanto a la proximidad de un transistor al borde del pozo (well) en el que se encuentra, esta también es un factor crítico para la variación del voltaje umbral del transistor. Las concentraciones de dopaje en la superficie pueden variar cerca de los bordes del pozo, lo que provoca que los transistores más cercanos al borde tengan un voltaje umbral distinto al de los transistores situados más alejados. Un diseño cuidadoso debe tener en cuenta esta variación, orientando los transistores de manera que todos experimenten un gradiente de dopaje similar, lo cual es fundamental para lograr una coincidencia precisa de los transistores.

Los resistores son igualmente importantes para el diseño de circuitos de precisión. Los resistores de polisilicio, que se utilizan comúnmente en circuitos analógicos, requieren de un bloque de silicona para lograr una resistencia de lámina adecuada. Sin embargo, las transiciones entre las regiones silicificadas y no silicificadas de los resistores no siempre están bien controladas, lo que puede afectar la precisión en el diseño. Para lograr una coincidencia precisa, es fundamental evitar que la corriente fluya a través de la transición entre estas dos regiones, ya que esto puede generar variaciones en el valor de la resistencia.

Otro aspecto a considerar es la orientación y disposición de los caminos de corriente a través de los resistores. Las curvas y esquinas en los caminos de corriente pueden introducir variabilidad en el valor de la resistencia, por lo que siempre es preferible diseñar resistores con trayectorias de corriente rectas. Además, como en el caso de los transistores, los resistores deben ser diseñados con dimensiones adecuadas, evitando el uso de dimensiones mínimas, ya que esto puede generar efectos no deseados como la capacitancia parasitaria.

Además, los transistores y resistores deben ser diseñados utilizando transistores y resistores de relleno siempre que sea posible, lo que no solo ayuda a mejorar la coincidencia de las unidades, sino que también optimiza el rendimiento global del chip. Esto es especialmente importante cuando se requiere una precisión extrema, ya que los dispositivos de relleno pueden contribuir a suavizar las variaciones de la señal.

El valor de un condensador MiM se puede calcular utilizando una fórmula estándar que considera la constante dieléctrica del dióxido de silicio y el área del condensador. Sin embargo, es importante destacar que esta fórmula pierde precisión a medida que las dimensiones de las placas se acercan al espesor de la capa dieléctrica.