BRPI0804375A2 - um sensor de temperatura operando em baixa-tensão e em baixa-potência para aplicações em dispositivos bio-implantáveis - Google Patents

Abstract

UM SENSOR DE TEMPERATURA OPERANDO EM BAIXA-TENSãO E EM BAIXA-POTêNCIA PARA APLICAçOES EM DISPOSITIVOS BIO-IMPLANTáVEIS. A invenção apresentada refere-se a uma topologia de sensor de temperatura envolvendo transistores de efeito de campo do tipo MOS operando na condição de saturação em inversão fraca, O sensor apresenta características importantes como baixa tensão de alimentação, baixo consumo de potência, área de silício reduzida e uma boa rejeição aos sinais espúrios presentes na linha de alimentação, além de uma boa linearidade de conversão na faixa de temperatura de <sym>20 <198>C a <sym>80 <198>C. Estas características o tomam especialmente recomendado para aplicações em engenharia biomédica como, por exemplo, em bio-implantes.

Description

UM SENSOR DE TEMPERATURA OPERANDO EM BAIXA-TENSÃO E EM BAIXA-POTÊNCIA PARA APLICAÇÕES EMDISPOSITIVOS BIO-IMPLANTÁVEIS

A presente invenção refere-se a uma topologia envolvendotransistores de efeito de campo do tipo MOS operando na condição deinversão fraca com os fins de atuar como sensor de temperatura paraaplicações de baixa tensão de alimentação em circuitos integrados com autilização de pouca área de silício. A temperatura é avaliada a partir deum circuito cuja resposta é proporcional a temperatura absoluta - PTATCProportional To Absolute Temperaturé), de alta linearidade dentro dafaixa de -20 a 80°C. Ela apresenta uma topologia baseada em transistoresMOS compostos, operando em inversão fraca, denominada CMOSPeaking Current Source.

Em muitos procedimentos médicos torna-se necessário omonitoramento de sinais fisiológicos dos seres humanos, tais como,pressão arterial, freqüência de batimentos cardíacos, temperaturacorpórea dentre outros. Este monitoramento deve ser preferencialmenteconduzido de forma a não causar desconforto ao paciente e deveapresentar informações precisas e seguras para as avaliações ediagnósticos dos profissionais da área de saúde envolvidos.

O ponto fundamental é a utilização de uma estrutura clássicadenominada CMOS Peaking Current Source, porém com a sua topologiamodificada pela inserção de transistores MOS compostos no lugar detransistores simples. Esta nova configuração, contudo, opera em regimede inversão fraca (tensão de polarização VGs inferior à tensão de limiarVTH) o que proporciona o baixo consumo e faz com que algumaspropriedades das relações tensão-corrente dos transistores MOS seaproximem do comportamento de um transistor bipolar. Os transistoresbipolares são exemplos clássicos de elementos utilizados na confecçãode sensores de temperatura.

A invenção passará a ser descrita a seguir com referência aosdesenhos apensos, nos quais a Figura 1 mostra a estrutura básica de umtransistor composto. A Figura 2 ilustra a arquitetura, ou forma de seimplementar o sensor de temperatura, objeto dessa patente. A Figura 3mostra a variação da tensão Vptat como uma função da temperatura parao circuito da Figura 2.

A Figura 1 ilustra a estrutura básica de um transistor compostoNMOS, entretanto pode-se implementar a mesma configuração quandose usa transistores PMOS. Os aspectos de geometria dos transistoresenvolvidos nesta configuração serão apresentados a seguir.

A Figura 2 ilustra a implementação do sensor de temperatura, queé baseada na configuração clássica CMOS Peaking Current Source, mascom a utilização de transistores compostos ao invés de transistoressimples.

A tensão de alimentação é reduzida para apenas IV fazendo comque os transistores compostos passem a operar na região de inversãofraca. Nesta região de operação, o equacionamento da corrente de dreno,consenso entre os modelos EKV, BSIM3v3 e ACM é dado por:<formula>formula see original document page 4</formula>

onde /séa corrente característica de inversão fraca, (W/L) é o aspecto degeometria do transistor, q é a carga do elétron, η é o fator de inversãofraca, ké a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta e VTh é atensão de limiar do dispositivo.

Na equação (1) o termo exponencial que contém a tensão Vdspode ser desprezado, visto que quando os transistores estão operando naregião de saturação, o valor desta tensão deve ser maior que 2>kT/q75 mV). Por inspeção do circuito verifica-se que:

<formula>formula see original document page 4</formula>

A partir das equações (1) e (2) e considerando que as correntes dedreno dos transistores Ml e M2 são iguais, obtém-se a corrente de pico(peaking current) Iq dada por:

<formula>formula see original document page 4</formula>

O ponto de interesse no circuito é o nó denominado Fptat,situado entre os transistores Ml e M2, na Figura 2, que como serádemonstrado, apresenta um coeficiente térmico positivo.

Para a configuração composta M1-M2 observa-se que ascorrentes de dreno destes transistores são iguais. Desprezando-se otermo que contém VDs, visto que os transistores estão saturados, eutilizando-se a equação (1) tem-se:

<formula>formula see original document page 5</formula>

Por inspeção do circuito, verifica-se que:

<formula>formula see original document page 5</formula>

Substituindo a equação (5) em (4), obtém-se:

<formula>formula see original document page 5</formula>

Para o transistor Ml, a tensão de limiar é igual a VTho, porémpara o transistor M2 a tensão de limiar sofre a modificação imposta peloefeito de corpo. Quando o processo de fabricação do circuito integradoapresenta um substrato do tipo Ν, o que impossibilita a fabricação detransistores NMOS em poços separados, é necessário equacionar atensão de limiar para M2 levando-se em conta o efeito de corpomencionado. Tem-se, então, para a tensão de limiar de M2:

<formula>formula see original document page 6</formula>

onde γ é o coeficiente de efeito de corpo e <j)F é o potencial de Fermi.Ainda por observação do circuito, verifica-se que a tensão substrato-fonte do transistor M2 é igual à tensão dreno-fonte do transistor Ml. Naequação (7) os termos que estão na raiz quadrada podem sersimplificados considerando-se:

<formula>formula see original document page 6</formula>

Das equações (6), (7) e (8) obtém-se:

<formula>formula see original document page 6</formula>

Considerando-se que:<formula>formula see original document page 7</formula>

Obtém-se, finalmente, a:

<formula>formula see original document page 7</formula>

Uma análise da equação (11) indica que o comportamento datensão dreno-fonte do transistor Ml é diretamente proporcional àtemperatura absoluta caracterizando uma tensão de referência PTAT.Outro ponto interessante diz respeito a ausência da corrente depolarização de dreno deste transistor no equacionamento, ou seja, ocomportamento de Vptat não é afetado diretamente por Io-

O transistor composto é na realidade uma estrutura do tipocascode, assim, existe um aumento significativo na impedância vista dodreno de M2. Isto faz com que o nó Vptat fique mais insensível àsflutuações da tensão de alimentação. Também, em termos do circuitoCMOS Peaking como um todo, este aumento da impedância de saída doestágio composto proporciona um melhor casamento entre os dois ramosque produzem a corrente Io·

A equação (11) também nos mostra que existe uma dependênciada tensão Vptat com relação aos aspectos de geometria dos transistoresMl e M2 que constituem o par composto. Esses aspectos de geometriadevem ser analisados para que sejam satisfeitas duas condições decontorno. Primeiro, os transistores devem operar na região de saturação(VDs > 3kT/q) e segundo, a área de silício consumida seja minimizada.

Para tanto, deve-se ter:

<formula>formula see original document page 8</formula>

Obtendo:

<formula>formula see original document page 8</formula>

Assim, a relação entre os aspectos de geometria dos transistoresdeve ser aproximadamente 20 para garantir a saturação e minimizar aárea de silício.

Por se tratar de um circuito auto-polarizado, o circuito CMOSPeaking Current Source apresenta dois pontos estáveis de corrente. Umdeles é o projetado pelos parâmetros dos componentes utilizados e ooutro é uma condição indesejável em que a corrente fica com o seu valorigual a zero. Para levar a operação do circuito ao seu ponto quiescente deinteresse é necessária a inserção de um circuito auxiliar de partidadenominado start-up. Neste projeto, o circuito de start-up éimplementado, também de uma forma simples, através do transistor MSe do capacitor CS ilustrados na Figura 2. Ao se energizar o sensor detemperatura, a corrente transitória de carga para CS é responsável paraproporcionar a partida da corrente I0 e levá-la ao seu valor quiescentenominal.

Ao se adotar os aspectos de geometria para os transistoresutilizados no sensor de temperatura, como apresentados na Tabela 1,obtém-se os valores medidos para a temperatura ambiente (25°C)apresentados na Tabela 2. A Figura 3 mostra a variação da tensão Vptatcomo uma função da temperatura para esse mesmo circuito.

Tabela 1 - Aspectos de geometria dos transistores.

<table>table see original document page 9</column></row><table>

Tabela 1 - Valores medidos à temperatura ambiente (25°C).

<table>table see original document page 9</column></row><table>Os resultados obtidos pelos testes efetuados comprovam que ocircuito pode ser utilizado como um sensor de temperatura, poisapresenta uma grande linearidade dentro da faixa que foi proposta (-20°C a +80°C). Além disto, em função de características advindas do usodo transistor composto, apresenta um consumo de potência reduzido(tornando-o ideal para aplicações de baixa potência), além de operar embaixa tensão. Pela simplicidade topológica de todo o circuito, a área desilício é minimizada.

Todas estas importantes características atestam o seu uso emaplicações de baixa potência e/ou baixa tensão, tais como biomédicas,veterinárias, segurança, e rastreamento.

Claims (2)

1. UM SENSOR DE TEMPERATURA OPERANDO EM BAIXA-TENSÃO E EMBAIXA-POTÊNCIA PARA APLICAÇÕES EM DISPOSITIVOS BIO-IMPLANTÁVEIS
2. 1. Topologia se sensor de temperatura do tipo proporcional a temperaturaabsoluta - PTAT ÇProportional To Absolute Temperature) com a utilização detransistores do tipo MOS compostos operando na condição de saturação na região deinversão fraca, caracterizado pelo fato de:Apresentar uma redução tanto na tensão de alimentação quanto no consumo depotência caracterizando a operação do sensor em baixa-tensão (low-voltage) e baixa-potência (low-power).Apresentar um consumo de área de silício reduzida.Apresentar uma boa razão de rejeição da fonte de alimentação - PSRR (PowerSupply Rejection Ratio).Apresentar uma boa linearidade na faixa de temperatura compreendida entre - 20°C e +80°C Ser adequado para aplicações implantáveis.