Implementación de un amplificador de transimpedancia para osciladores CMOS-MEMS en tecnología AMS-C035

Abstract

[spa] En este trabajo se ha diseñado e implementado en tecnología CMOS de 0.35um un amplificador de transimpedancia específico para circuitos osciladores CMOS-MEMS. Una de las posibilidades que ofrecen los MEMS o sistemas microelectromecánicos es la de operar como elemento resonante dentro de un circuito oscilador. para diferentes aplicaciones en sensores o sistemas de RF. El enfoque tecnológico contemplado en este trabajo permite una integración del resonador MEMS con actuación electrostàtica conjuntamente con circuitería CMOS en un mismo sustrato o chip. Mediante el uso de detección capacitiva, el resonador MEMS genera una corriente de salida debido a su oscilación mecánica que puede ser detectada y amplificada mediante un amplificador de transimpedancia (TIA). Un diseño específico del TIA habilita la operación en lazo cerrado del sistema CMOS-MEMS para su posible aplicación como circuito oscilador. En trabajos previos realizados en el seno del grupo GSE-UIB, se han desarrollado diferentes osciladores CMOS-MEMS basados en un esquema del tipo Pierce (oscilador paralelo). El principal inconveniente de este enfoque es la necesidad de un diseño muy específico en función del layout del resonador MEMS, ya que la ganancia del circuito TIA está fuertemente determinada por la capacidad parásita existente en la interfaz del MEMS con el circuito CMOS (Cp). En este trabajo se ha implementado un amplificador TIA más versátil basado en una topología totalmente diferente que permite obtener una ganancia muy poco dependiente de Cp para su potencial aplicación en circuitos osciladores CMOS-MEMS.

[cat] En aquest treball s’ha dissenyat i implementat amb tecnologia CMOS de 0.35 μm un amplificador de transimpendància específic per a circuits oscil·ladors CMOS-MEMS. Una de les possibilitats que ofereixen els MEMS o sistemes microelectromecànics és la d’operar com a element ressonant dins d’un circuit oscil·lador per a diferents aplicacions en sensors o sistemes de RF. L’enfocament tecnològic contemplat en aquest treball permet una integració del ressonador MEMS amb actuació electrostàtica conjuntament amb circuiteria CMOS en un mateix substrat o xip. Mitjançant l’ús de detecció capacitativa, el ressonador MEMS genera uncorrent de sortida causada per la seva oscil·lació mecànica que pot ser detectada i amplificada mitjançant un amplificador de transimedància (TIA). Un disseny específic del TIA habilita l’operació en el llaç tancat del sistema CMOS-MEMS per a la seva possible aplicació com a circuit oscil·lador. En treballs previs realitzats en el grup GSE-UIB, s’han desenvolupat diferents oscil·ladors CMOS-MEMS basats en un esquema del tipus Pierce (oscil·lador paral·lel). El principal desavantatge d’aquest enfocament radica en la necessitat d’un disseny molt específic en funció del layout del ressonador MEMS, ja que el guany del circuit TIA està fortament determinat per la capacitat paràsita existent en la interfície del MEMS amb el circuit CMOS (Cp). En aquest treball s’ha implementat un amplificador TIA més versàtil basat en una topologia totalment diferent que permet obtenir un guany molt poc depenent del Cp per a la seva potencial aplicació en circuits oscil·ladors CMOS-MEMS.

[eng] In this work we have designed and implemented with CMOS 0.35 μm technology, a transimpedance amplifier specific for CMOS-MEMS circuits oscillators. One of the possibilities that MEMS (or microelectromechanical systems) offer is operating as a resonating element in an oscillating circuit for diverse usages within sensors os RF systems. The technological approach of this project allows the integration of a MEMS resonator with electrostatic actuation altogether with CMOS circuitry in the same substrate or chip. By using capacitance detection, the MEMS resonator generates an output current caused by its mechanical oscillation that can be detected and amplified through a transimpedance amplifier (TIA). A specific design of the TIA allows the closed loop operation of the CMOS-MEMS system for a future application as an oscillating circuit. In previous works carried out by the GSE-UIB team, some other CMOSMEMS- based oscillators have been developed using a Pierce scheme. The main drawback of this approach is the need for a very specific design depending on the layout of the MEMS resonator, due to the fact that the circuit gain of the TIA circuit is strongly determined by the parasite capacity existing in the MEMS interface with the CMOS circuit (Cp). In this project, we have implemented a more versatile TIA amplifier based on a radically different topology that allows the obtainment of a nearly independent gain of the Cp for its potential application in CMOS-MEMS oscillator circuits.