Current-controlled pseudo-resistors aimed at the TOhm range

Abstract

Este trabalho apresenta a análise e implementação de pseudo-resistores capazes de alcançar resistências na faixa de algumas unidades de TOhm. Os pseudo-resistores oferecem uma alternativa aos resistores integrados ao utilizar circuitos baseados em transistores MOS, fornecendo uma relação corrente-tensão semelhante a dos resistores convencionais. Eles permitem valores de resistência mais elevados em um espaço reduzido, ao ocupar uma menor área de silício. Inicialmente, foram avaliados vários tipos de correntes de fuga que afetam os MOSFETs, resultando na proposta de uma topologia inicial composta exclusivamente por transistores NMOS, para mitigar a corrente de fuga através da junção n-well-substrato. Um amplificador operacional, em conjunto com um transistor de referência e uma fonte de corrente de polarização, foi utilizado para estabelecer o nível de inversão dos transistores no pseudo-resistor. Uma segunda topologia de pseudo-resistor, composta por uma rede de transistores NMOS e PMOS, foi desenvolvida para ampliar a região de operação linear. O desempenho do circuito foi validado por meio de simulações utilizando os modelos BSIM4 e ACM2 do MOSFET, proporcionando uma avaliação abrangente do comportamento do dispositivo sob diferentes condições de polarização e processo. O layout completo do chip, incluindo espelhos de corrente, amplificadores e pseudo-resistores, foi projetado. Os resultados das simulações DC no layout extraído demonstraram que a estrutura alcançou resistências de aproximadamente 1, 75 TOhm, com variações de resistência na faixa de 1, 5 TOhm a 1, 75 TOhm, em temperaturas que variaram de -27 ?C a 108 ?C. O primeiro projeto de chip, fabricado utilizando um processo comercial, demonstrou resistências de até 1,87 TOhm em medições. Os pseudo-resistores ajustáveis também foram validados em um filtro passa-faixa controlado por corrente, projetado para aplicações de bioimpedância. Este filtro operou em uma faixa de frequência de 0,4 Hz a 2,5 kHz, ilustrando a aplicabilidade prática dos pseudo-resistores propostos em cenários reais. O projeto do segundo chip utiliza tecnologias open-source, demonstrando a viabilidade de projetos avançados de circuitos dentro das limitações de recursos acessíveis.

Abstract: This work presents the analysis and implementation of pseudo-resistors capable of achieving resistances in the range of some units of TOhm. Pseudo-resistors offer an alternative to built-in resistors by utilizing MOS transistor circuits, providing a current-voltage relationship similar to conventional resistors. They enable higher resistance values within a smaller space by occupying less silicon area. Initially, various types of leakage currents affecting MOSFETs were evaluated. A topology comprising exclusively of NMOS transistors to mitigate the leakage current across the n-well-substrate junction is initially proposed. An operational amplifier, in conjunction with a reference transistor and a current source, was employed to establish the inversion level of the transistors of the pseudo-resistor. A second pseudoresistor topology, consisting of an NMOS and a PMOS network, was developed to enhance the linear operation region. The circuit performance was validated through simulations using the BSIM4 and ACM2 MOSFET models, providing a comprehensive evaluation of the device behavior under different bias and process conditions. The complete layout of the chip top, including current mirrors, amplifiers, and pseudo-resistors, was designed. The results of DC simulations in the layout-extracted view demonstrated that the structure achieved resistances of approximately 1.75 TOhm , with resistance variations ranging from 1.5 TOhm to 1.75 TOhm across temperature variations from -27 ?C to 108 ?C. The first chip design, fabricated using a commercial process, demonstrated resistances of up to 1.87 TOhm in measurements. The tunable pseudo-resistors were also validated in a current-controlled bandpass filter designed for bioimpedance applications. This filter operated over a frequency range of 0.4 Hz to 2.5 kHz, illustrating the proposed pseudo-resistors? practical applicability in real-world scenarios. The design of the second chip uses open-source technologies, showcasing the feasibility of advanced circuit designs within the constraints of accessible resources.