Análise e modelagem do Schmitt Trigger CMOS convencional em inversão forte

Abstract

Nesta dissertação a operação do Schmitt Trigger CMOS convencional é analisada em inversão forte. O comportamento quadrático das equações que descrevem os transistores MOS nesse nível de inversão justificam o auxílio de métodos numéricos na análise. A característica de transferência de tensão do circuito é obtida numericamente de três formas: com um modelo modificado, sem singularidades, do transistor; com o modelo convencional do transistor; e pelo método das correntes, através da separação do circuito em redes de pull-up e pull-down. O método das correntes permite, em primeiro lugar, a observação do efeito de resistência negativa no circuito, demonstrando o caráter contínuo da característica de transferência de tensão, composta pelos conjuntos de pontos de operação estáveis e meta-estáveis e, em segundo lugar, a demonstração de que o valor de VDD VTN |VTP| não constitui um limite para a largura do laço de histerese, como acreditado até então. A descrição analítica da operação estática do circuito é realizada e expressões aproximadas para a largura do laço são deduzidas de três formas diferentes. As expressões aproximadas são comparadas ao modelo numérico, às simulações e às medidas experimentais utilizando o chip 4007. Por fim, um conjunto de equações e aproximações permite o projeto do Schmitt Trigger em inversão forte para todas as razões de realimentação, levando considerando os parâmetros da tecnologia a ser utilizada.

Abstract : In this dissertation the operation of the classical CMOS Schmitt Trigger is analyzed in strong inversion. The quadratic behavior of the equations describing the MOS transistors at this inversion level justifies the aid of numerical methods in the analysis. The voltage transfer characteristic of the circuit is obtained numerically in three ways: with an adapted model, without singularities, of the transistor; with the conventional transistor model; and by the currents method, through the separation of the circuit into pull-up and pull-down networks. The current method, in particular, allows the observation of the negative resistance effect in the circuit and demonstrates the continuous behavior of the voltage transfer characteristic, composed of stable and metastable operating point sets. This method also shows that the value of VDD VTN |VTP| does not impose a limit to the width of the hysteresis loop. The analytical description of the static operation of the circuit is performed and approximate expressions for the width of the hysteresis loop are deduced in three different ways. The approximate expressions are compared to the numerical model, the simulations and the experimental measurements using the 4007 chip. Finally, a set of equations and approximations allows the Schmitt Trigger design in strong inversion for all the feedback ratios, considering the parameters of the technology to be used.