Progettazione di un DAC a 10bit in tecnologia BCD8 per driver ad alta tensione

Negli ultimi anni lo sviluppo dell'elettronica e' andato oltre il puro scaling dei dispositivi, soprattutto per motivi tecnologici. Il campo che probabilmente ha tratto piu' beneficio da questa differenziazione e' il settore dei MEMS (Micro-Electro- Mechanical-Systems) e dei MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical-Systems). Le applicazioni dei microsistemi (anche commerciali) sono numerose e spaziano dal settore automotive (accelerometri, giroscopi), alle telecomunicazioni (in particolar modo nel cablaggio con fibra ottica si usano microspecchi per realizzare switch ottici integrati), al biomedico (microspecchi per tecniche di microscopia endoscopica). In genere tali microsistemi necessitano di tensioni di attuazione elevate, che devono essere fornite da appositi driver ad alta tensione. Il segnale che pilota questi driver e' quasi sempre generato da un sistema digitale, percio' vi e' praticamente sempre la necessita' di utilizzare un convertitore digitale-analogico. In questo lavoro di tesi e' stata affrontata la progettazione di un convertitore digitale- analogico in tecnologia BCD8 a 0.18um per driver ad alta tensione, da inserire in un sistema di proiezione con microspecchio a scansione. Il DAC, alimentato a 1.8V, prevede un'ingresso digitale su 10bit e un'uscita nel range 0 - 1.8V, su un carico (il driver HV) di 1pF. Nel primo capitolo viene fatta un'introduzione al mondo dei microsistemi per applicazioni ottiche. In particolar modo la nostra attenzione si e' focalizzata sui microspecchi, descrivendone i campi d'applicazione e gli esempi piu' diffusi in commercio. Successivamente sono analizzate le due principali tipologie di microspecchio: Digital o Scanning micromirror. Se il microspecchio prevede solo due posizioni di attuazio- ne e' un Digital micromirror, invece se la de essione e' continua e' detto Scanning micromirror (microspecchio a scansione). Gli scanning micromirror possono avere vari tipi di attuazioni; vengono descritte le principali tecniche, mostrando degli esempi: attuazione elettrostatica, elettromagnetica e termica. In particolare vengono approfondite le tecniche di attuazione elettrostatica facendo distinzione tra attuatori a facce piane parallele e comb drive. Di questi ultimi sono descritte la tipologia tradizionale e quella a vertical comb-drive, implementata nel microspecchio che fa parte del sistema di proiezione. Nel secondo capitolo vengono descritti sotto diversi aspetti i convertitori digitale- analogico. Inizialmente si danno alcune notizie sulla loro storia ed evoluzione cronologica. Successivamente sono illustrati i principali parametri che caratterizzano un convertitore digitale-analogico. Viene fornita una panoramica sulle principali architetture, facendo riferimento alle soluzioni allo stato dell'arte in letteratura. Sono analizzate le architetture basate su resistenze: a stringa resistiva semplice, ripiegata, a scala R-2R; poi quelle basate su capacita e infine quelle basate su generatori di corrente. Segue una trattazione della tecnologia utilizzata per la realizzazione del DAC, la BCD8 di STMicroelectronics, con riferimento all'evoluzione della stessa e dei possibili campi d'applicazione. Nel terzo capitolo viene illustrata la struttura del sistema del quale fa parte il DAC, il dimensionamento del quale e' stato fatto sfruttando i risultati di un'analisi statistica sulla stringa resistiva eseguita con simulazioni numeriche, descritte in questo capitolo. In seguito sono state analizzate problematiche inerenti al leakage, superate con l'utilizzo di switch pass-gate e particolari configurazioni delle connessioni di substrato. Vengono illustrate le condizioni di lavoro del buffer e le conseguenti specifiche di progetto. Viene mostrata la prima topologia presa in esame e i suoi limiti, superati dalla nuova topologia. Quindi, anche mediante l'uso del simulatore, si e' dimensionato il buffer. Nel quarto capitolo sono riportati i risultati delle simulazioni eseguite con il simulatore SPECTRE all'interno dell'ambiente CADENCE. E' stato possibile valutare le prestazioni del buffer al variare dei parametri di processo o mediante l'uso di un'apposito caratterizzatore. Dai risultati delle simulazioni si e' potuto evincere che il buffer rispetta le specifiche di progetto. Nel quinto capitolo infine e' riportato il layout della stringa resistiva e dei decoder e gli accorgimenti utilizzati per minimizzare il mismatch nell'implementazione della stringa. In appendice sono riportati alcuni dei codici MATLAB utilizzati per l'analisi statistica della stringa

Mixed-signal integrated circuits design and validation for automotive electronics applications

Automotive electronics is a fast growing market. In a field primarily dominated by mechanical or hydraulic systems, over the past few decades there has been exponential growth in the number of electronic components incorporated into automobiles. Partly thanks to the advance in high voltage smart power processes in nowadays cars is possible to integrate both power/high voltage electronics and analog/digital signal processing circuitry thus allowing to replace a lot of mechanical systems with electro-mechanical or fully electronic ones. High level modeling of complex electronic systems is gaining importance relatively to design space exploration, enabling shorter design and verification cycles, allowing reduced time-to-market. A high level model of a resistor string DAC to evaluate nonlinearities has been developed in MATLAB environment. As a test case for the model, a 10 bit resistive DAC in 0.18um is designed and the results were compared with the traditional transistor level approach. Then we face the analysis and design of a fundamental block: the bandgap voltage reference. Automotive requirements are tough, so the design of the voltage reference includes a pre-regulation part of the battery voltage that allows to enhance overall performances. Moreover an analog integrated driver for an automotive application whose architecture exploits today’s trends of analog-digital integration allowing a greater range of flexibility allowing high configurability and fast prototipization is presented. We covered also the mixed-signal verification approach. In fact, as complexity increases and mixed-signal systems become more and more pervasive, test and verification often tend to be the bottleneck in terms of time effort. A complete flow for mixed-signal verification using VHDL-AMS modeling and Python scripting is presented as an alternative to complex transistor level simulations. Finally conclusions are drawn

A cost-effective 10-bit D/A converter for digital-input MOEMS micromirror actuation

The design of a 10-bit resistor-string digital-to-analog converter (DAC) for MOEMS micromirror interfacing is addressed in this paper. The proposed DAC, realized in a 0.18-μm BCD technology, features a folded resistor-string stage with a switch matrix and address decoders plus an output voltage buffer stage. The proposed DAC and buffer circuitry are key elements of an innovative scanning micromirror actuator, characterized by direct digital input, full differential driving, and linear response. With respect to the the state-of-the-art resistor-string converters in similar technologies, the proposed DAC has comparable nonlinearity (INL, DNL) performances while it has the advantage of a smaller area occupation, 0.17 mm2, including output buffer, and relatively low-power consumption, 200 μW at 500 kSPS and few μW in idle mode

A multi-element psychosocial intervention for early psychosis (GET UP PIANO TRIAL) conducted in a catchment area of 10 million inhabitants: study protocol for a pragmatic cluster randomized controlled trial

Multi-element interventions for first-episode psychosis (FEP) are promising, but have mostly been conducted in non-epidemiologically representative samples, thereby raising the risk of underestimating the complexities involved in treating FEP in 'real-world' services