Ottimizzazione del Design Analogico e Compensazione dell'Offset Assistita Digitalmente per la Riduzione della Deriva Termica in un Amplificatore di Errore di Precisione

Precision analog systems often require stringent requirements on voltage accuracy and thermal stability, as these parameters directly impact overall system performance. This thesis investigates two different approaches for improving the accuracy and temperature-drift performance of a precision error amplifier and provides a comparative assessment of their effectiveness. The first approach focuses on transistor-level optimization of the amplifier itself. Through systematic analysis of device dimensions, mismatch sensitivity, frequency response, and temperature behavior, several design modifications are introduced to reduce the intrinsic offset voltage and its thermal drift while preserving the original circuit architecture. The impact of these changes is evaluated through extensive simulations, including Monte Carlo analyses. The second approach explores a digitally-assisted offset compensation technique based on a mixed-signal calibration loop. The proposed architecture employs a SAR ADC, an R-2R DAC, and custom digital trimming logic implemented in Verilog to estimate and compensate the amplifier offset by generating an appropriate correction voltage. The design and operation of the calibration loop are investigated with particular attention to convergence behavior, stability, quantization effects, and analog-to-digital interface considerations. The two approaches are developed independently and compared in terms of offset reduction capability, thermal stability, implementation complexity, hardware overhead, and design trade-offs. Simulation results demonstrate that both techniques can significantly improve the overall accuracy of the system, although through fundamentally different mechanisms. The comparison highlights the benefits and limitations of intrinsic analog optimization versus digital-assisted calibration, providing useful design guidelines for the development of high-precision analog and mixed-signal integrated circuits.

I sistemi analogici di precisione spesso richiedono requisiti rigorosi sulla precisione della tensione e sulla stabilità termica, poiché questi parametri influiscono direttamente sulle prestazioni complessive del sistema. Questa tesi indaga due diversi approcci per migliorare l'accuratezza e le prestazioni di deriva della temperatura di un amplificatore di errore di precisione e fornisce una valutazione comparativa della loro efficacia. Il primo approccio si concentra sull'ottimizzazione a livello di transistor dell'amplificatore stesso. Attraverso l'analisi sistematica delle dimensioni del dispositivo, della sensibilità di mancata corrispondenza, della risposta in frequenza e del comportamento della temperatura, vengono introdotte diverse modifiche di progettazione per ridurre la tensione di offset intrinseca e la sua deriva termica preservando l'architettura del circuito originale. L'impatto di questi cambiamenti viene valutato attraverso ampie simulazioni, comprese le analisi di Monte Carlo. Il secondo approccio esplora una tecnica di compensazione dell'offset assistita digitalmente basata su un ciclo di calibrazione a segnale misto. L'architettura proposta impiega un ADC SAR, un DAC R-2R e una logica di taglio digitale personalizzata implementata in Verilog per stimare e compensare l'offset dell'amplificatore generando una tensione di correzione appropriata. La progettazione e il funzionamento del ciclo di calibrazione sono studiati con particolare attenzione al comportamento di convergenza, alla stabilità, agli effetti di quantizzazione e alle considerazioni sull'interfaccia da analogica a digitale. I due approcci sono sviluppati in modo indipendente e confrontati in termini di capacità di riduzione dell'offset, stabilità termica, complessità dell'implementazione, sovraccarico hardware e compromessi di progettazione. I risultati della simulazione dimostrano che entrambe le tecniche possono migliorare significativamente la precisione complessiva del sistema, anche se attraverso meccanismi fondamentalmente diversi. Il confronto evidenzia i vantaggi e i limiti dell'ottimizzazione analogica intrinseca rispetto alla calibrazione assistita digitale, fornendo utili linee guida di progettazione per lo sviluppo di circuiti integrati analogici e a segnale misto ad alta precisione.