Design of 10 mA CMOS current driver arrays for MEMS actuators
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Kamal El-Sankary
Hilton de Oliveira Mota
Paulo César Comasseto de Aguirre
Hilton de Oliveira Mota
Paulo César Comasseto de Aguirre
Resumo
Drivers de corrente são componentes eletrônicos fundamentais que possibilitam o controle e fornecimento de corrente de forma precisa, exata e ajustável para outros circuitos. Esses circuitos atuam como uma interface entre o mundo digital e os sistemas físicos, que são inerentemente analógicos. Um exemplo de aplicação nesse contexto é a tecnologia de óptica adaptativa, cujo objetivo é obter imagens nítidas de corpos celestes por meio de um telescópio e seu circuito de controle. Esse tipo de sistema é composto por um conjunto de atuadores mecânicos responsáveis por controlar e ajustar a posição de espelhos MEMS, a fim de corrigir distorções atmosféricas nas imagens. Controlando a corrente que percorre cada atuador mecânico, é possível ajustar a posição dos espelhos. O foco desta dissertação de mestrado é o projeto de drivers de corrente para esse tipo de sistema. Esta dissertação aborda duas gerações de drivers de corrente integrados. Ambas as topologias foram projetadas para fornecer correntes de saída de até ±10 mA utilizando tecnologia CMOS de 0,35 μm. A palavra digital, composta por 11 bits na versão 1 e 10 bits na versão 2, é fornecida ao driver por meio de um circuito de interface série-paralelo (SPI). A primeira versão é composta, de forma simplificada, por um conversor digital-analógico de tensão (DAC) e por um conversor de tensão-corrente, ambos operando com uma tensão de alimentação de ±3,3 V. A segunda versão é composta por um DAC de corrente segmentado, com os objetivos de: (i) aumentar a escalabilidade do número de drivers em um mesmo chip de silício; (ii) melhorar as especificações de linearidade da relação entre corrente de saída e dado digital de entrada, mais especificamente INL e DNL; e (iii) reduzir a tensão de alimentação. Esta segunda versão foi planejada e projetada para a operação simultânea de 40 a 50 drivers, integrados em uma área de silício de 20 mm2. As simulações pós-layout indicaram um consumo de potência nominal de 17,6 mW, e a análise de linearidade baseada em 1000 pontos de Monte Carlo (incluindo variações de processo e descasamento) resultou em um INL médio de pior caso de 0,57 LSB e um DNL médio de pior caso de 0,27 LSB.
Abstract
Current drivers are fundamental electronic components that enable precise, accurate, and adjustable current control and supply to other circuits. These circuits provide an interface between the digital world and physical systems, which are inherently analog. An example of application in this context is adaptive optics technology, whose goal is to obtain sharp images of celestial bodies through a telescope and its control circuit. This type of system consists of a set of mechanical actuators responsible for controlling and adjusting the position of MEMS mirrors in order to correct atmospheric distortions in the images. By controlling the current flowing through the mechanical actuator, the mirrors’ position can be adjusted. The focus of this master’s thesis is the design of current drivers for such a system. This dissertation addresses two generations of integrated current drivers. Both topologies are designed to deliver output currents up to ±10 mA using 0.35 μm CMOS technology. The digital word, composed of 11 bits for version 1 and 10 bits for version 2, is sent into the driver through a serial-to-parallel interface circuit (SPI). The first version is composed, in a simplified way, of a voltage digital-to-analog converter (DAC) and a voltage-to-current converter, both operating with a supply voltage of ±3.3 V. The second version is composed of a segmented current DAC, with the goals of: (i) increasing the scalability of the number of drivers on the same silicon die, (ii) improving the linearity specifications of the output current versus input digital data relationship, more specifically INL and DNL, and (iii) reducing the supply voltage. This second version was planned and designed for the simultaneous operation of 40–50 drivers, integrated in a silicon area of 20 mm2. Post-layout simulations indicate a nominal power consumption of 17.6 mW, and the linearity analysis based on 1,000-point Monte Carlo simulations (including process and mismatch variations) resulted in a mean worst-case INL of 0.57 LSB and a mean worst-case DNL of 0.27 LSB.
Assunto
Engenharia elétrica, Semicondutores complementares de óxido metálico, Sistemas microeletromecânicos
Palavras-chave
Current drivers, Driver arrays, MEMS actuators, High current, CMOS