Laboratoire 1 - Cours

ELE6308- Microélectronique Analogique et Mixte Automne 2012Objectifs:ELE6308Microélectronique Analogique et MixteLabo# 1 Partie 2Miroirs de courant et circuit de polarisationÀ remettre jeudi le 11 octobre avant 16h00dans la chute à travaux du secrétariat de génie électriqueA Moradi, A. Miled et M. SawanAutomne 2012Ce laboratoire est une introduction aux méthodes de conception des circuits analogiques. Le butest de caractériser des miroirs de courant et de les utiliser pour la réalisation d’un circuit depolarisation. Ce circuit sera utilisé dans le laboratoire 2 pour polariser l'amplificateuropérationnel, il est donc essentiel que les objectifs de ce laboratoire soient atteints. Les circuits àutiliser sont présentés dans le complément de laboratoire 1, lisez-le attentivement d’abord.Partie 1 : Étude des miroirs de courant simple, Wilson et wide-swing cascode. (8 points)Remarques :Pour ce laboratoire, l’excursion maximale de la tension de sortie d’un miroir de courant estatteinte lorsque la valeur du courant de sortie chute de 2% par rapport à celle du courant d’entrée.La longueur de tous les transistors utilisés est égale à 1µm sauf lorsque spécifié ou requisautrement. La tension d’alimentation Vdd est de 1.8V.1.1 Pour un courant d’entrée de 11µA, trouver la largeur des transistors PMOS d’un miroir decourant simple (Figure 1 du complément) de rapport 1 :1 afin qu’il offer une excursion maximalede la tension de sortie de 1.45 V. (2 points)1.1.1 En utilisant la largeur de transistors W trouvée précédemment, présenter les simulations DCde Iout en fonction de Vout pour les valeurs du courant d’entrée Iin variant de 5 à 25µA par un pasde 5µA. Pour chaque valeur de Iin, déduire l’excursion de la tension de sortie Vout et la valeur deVout telle que Iout = Iin.1.1.2 Afficher les courbes de résistance de sortie du miroir de courant en fonction de Vout pourdes courants Iin de (5, 10, 15, 20, 25)µA. Donner dans un tableau la résistance à 900 mV pour les5 courants à 3 chiffres significatifs.1.1.3 Effectuer une simulation AC en fréquence de 10 kHz à 10 GHz. Afficher la courbe de gainet de phase du courant sur un même graphique tout en identifiant la fréquence de coupure duMC.1.2 Concevoir un miroir de courant Wilson (Figure 2 du complément) composé de transistorsPMOS ayant un rapport 1 :1 et une excursion maximale de la tension de sortie de 1.25 V pour uncourant d’entrée de 11µA. (2 points)1

ELE6308- Microélectronique Analogique et Mixte Automne 2012Répondre aux mêmes questions que 1.1.1, 1.1.2 et 1.1.3.1.3 Concevoir un miroir de courant Wide-Swing (Figure 3 du complément) composé detransistors PMOS ayant un rapport 1 :1 et une excursion maximale de la tension de sortie de 1.45V pour un courant d’entrée de 11µA. Pour le transistor PMOS M5, utiliser L = 5.Lmin (Lmin =1µm) et expliquer analytiquement le pourquoi de ce choix de désign. (2 points)Répondre aux mêmes questions que 1.1.1, 1.1.2 et 1.1.3.1.4 Comparer ces trois miroirs de courant et discuter des avantages et inconvénients de chaquetype. Lequel des miroirs de courant Wilson ou wide-swing est le plus approprié aux applicationsà faible tension d'alimentation? Fournir commentaires et raisonnements. (2 points)Partie 2 : Conception d'un circuit de polarisation basé sur les miroirs de courant wideswingcascode (12 points)Figure 1: (1) Circuit de démarrage, (2) Circuit de polarisation (3) Amplificateur opérationnelLa figure 1 présente le schéma complet du laboratoire 2. Dans le présent laboratoire, vous devrezconcevoir les parties (1) et (2), soient le circuit de démarrage et le circuit de polarisation.2.1 Analyse (6 points)2.1.1 Donner une brève explication du fonctionnement du circuit de démarrage, justifies sanécessité face au circuit de polarisation et le choix des dimensions de vos transistors. Assurezvousque la consommation statique de ce circuit soit minimale (moins de 1 uA). (2 points)2.1.2 Donner une description théorique et analytique du fonctionnement du circuit depolarisation de type Beta-Multiplier. Expliquer pourquoi ce circuit minimise l'effet des variations2

ELE6308- Microélectronique Analogique et Mixte Automne 2012de la tension d'alimentation Vdd sur la valeur du courant de polarisation dans Rb. Déterminerl'expression du courant traversant la résistance Rb. (4 points)2.2 Simulations (6 points)2.2.1 Montrer clairement sur le schéma du circuit: (2 points)• Les dimensions des transistors (W et L) ainsi que les valeurs des résistances et capacitéschoisies .• Les points d'opération DC (VGS, VDS_SAT et Region) pour chaque transistor MOSainsi que les tensions aux différents noeuds du circuit.• Le gain gm et le courant de drain ID des transistors MOS2.2.2 Présenter le courant Ib en fonction de la résistance Rb (100 Ohms à 100 kOhms) et choisirRb de manière à ce que Ib = 11 uA pour la prochaine question. (1 point)2.2.3 Tester le circuit de démarrage avec une simulation transitoire en utilisant une source detension vpwl (librairie cmosp18) pour générer une rampe d'alimentation de 0V à 1.8V en 1 us.Fournir les courbes transitoires de Vdd, V_BP, V_CP, V_CN et V_BN pour montrer que lecircuit démarre effectivement. Pendant cette transitoire, montrer les courants dans les branchesdu circuit de démarrage pour montrer que ces derniers comptent pour moins de 1 uA après ledémarrage du circuit. (3 points)3