Diseño de Circuitos y Sistemas Integrados

Diseño de Circuitos y Sistemas Integrados

Antonio Rubio. Josep Altet. Xavier Aragonés. José Luis González. Diego Mateo. Francesc Moll

La tecnología de circuitos integrados, basada principalmente en la miniaturización de los circuitos ha evolucionado intensamente en los últimos tiempos. El objetivo de esta obra es dar a conocer esta evolución reciente y futura, sus posibilidades y limitaciones, y proporcionar al estudiante una previsión de la tecnología que estará en el mercado en las dos próximas decadas y de sus elementos motores. Se contempla un doble marco de análisis y diseño y, a partir de una tecnología común -la tecnología CMOS y sus variantes (SOI, BICMOS)-, se encuadran las principales secciones analógicas y digitales de los circuitos mixtos y su aplicación a sistemas integrados complejos.

ÍNDICE

• Concepto De Sistema Integrado Mixto. 
• Tecnología De Circuitos Integrados
• Metodologías De Diseño De Circuitos Integrados. 
• Interconexiones, Componentes Pasivos Y De Interfaz
• Funciones Digitales Del Sistema. 
• Funciones Analógicas Del Sistema. 
• Integración Del Sistema Mixto.

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ÍNDICE GENERAL

• Concepto de sistema integrado mixto. Introducción. Sistemas integrados de proceso digital. Sistemas de telecomunicación. Conclusión. Principios, subsistemas y diseño.
• Tecnología de circuitos integrados. Introducción. Fundamentos de los dispositivos MOS. Estructura básica: Condensador MOS. Concepto de inversión de portadores en una película de la superficie del semiconductor, tensión umbral. Estructura de un transistor MOS. Característica I/V de un transistor MOS. Parámetros y características de los dispositivos y las intercon en tecnología CMOS. Modelo analítico del transistor MOS. Características eléctricas de los circuitos CMOS. Capacidades en un transistor MOS. Modelo de pequeña señal de un MOS en saturación. Fundamentos de la tecnología de fabricación de circuitos integrados CMOS. Fundamento de la fabricación de circuitos integrados. Relación de mascaras físicas y capas de diseño en una tecnología CMOS twin-well. Fases del proceso de fabricación. Concepto de oblea. Tendencias en la evolución tecnológica Modelos de escalado microelectrónico. La evolución de la tecnología microelectrónica y la ley de Moore. Modelos de escalado tecnológico para dispositivos CMOS. Modelos de escalado tecnológico para las interconexiones. Evolución de las principales características eléctricas de los circuitos integrados CMOS. Limitaciones de los modelos de escalado Escenarios de escalado tecnológico realistas. Tendencias futuras en la evolución tecnológica. Efectos de la integración y la miniaturización en el comportamiento de los dispositivos. Latch-up, desapareamiento y otras consecuencias de la integración. Efectos de canal corto y portadores calientes. Defectos y desviaciones del proceso de fabricación, rendimiento del proceso. Perturbaciones en el proceso de fabricación de un circuito integrado. Rendimiento del proceso de fabricación. Impacto del rendimiento de fabricación en el costo unitario de un circuito integrado. Desviación de parámetros debido al proceso.
• Metodologías de diseño de circuitos integrados. Metodologías de diseño. Niveles de abstracción y representaciones de un circuito microelectrónico. Diagrama de la “Y” y procedimientos involucrados en el diseño. Variables de diseño para cada nivel de abstracción. Escenarios de objetivos de implementación. Diagrama de flujo de diseño y herramientas de ayuda al diseño. Diseño descendente, diseño ascendente. Flujo de diseño típico en ASIC’s. Herramientas CAD. Entornos EDA. Tendencias futuras en CAD. Lenguajes de descripción y formatos. Modelos y simuladores físicos. Modelos y simuladores eléctricos. Modelos y simuladores lógicos. Modelos y simuladores de alto nivel. Automatización del diseño microelectrónico. Síntesis de alto nivel. Síntesis y optimización lógica. Síntesis a nivel físico: colocación y conexionado. Costes de la fase de diseño. Costes de personal. Costes de herramientas de diseño. Costes fijos. Costes de diferentes alternativas de diseño de circuitos integrados. Full Custom. Standard Cell. Gate Array. FPGA. Comparación entre alternativas.
• Interconexiones, componentes pasivos y de interfaz. Interconexiones. Jerarquía de interconexiones. Efectos parásitos de las interconexiones. Modelación de las interconexiones. Cálculo simplificado de parámetros eléctricos. Encapsulados. Conexión eléctrica del chip. Tipos de encapsulado. Modelación térmica. Componentes pasivos. Resistores. Condensadores. Inductores. Buffers y celdas de Entrada/Salida. Control de nodos con gran capacidad Fanin y Fanout. Optimización de buffers. Celdas E/S. Diseño de bajo ruido. Acoplamientos entre líneas. Ruido de conmutación. Ruido acoplado a través del substrato.
• Funciones digitales del sistema. Introducción. Prestaciones básicas de las familias lógicas. Lógica CMOS estática. Lógica CMOS estática convencional. Lógicas estáticas de transistores de paso. Lógica CVSL (Cascode Voltage Switch Logic). Lógica dinámica. Bases de la lógica dinámica. Lógica C2MOS (Clocked CMOS Logic). Lógica CMOS dinámica de precarga y evaluación (PE Logic). Lógica CMOS Dominó. Lógica NP Dominó (o Zipper). Lógica CVSL (dinámica). Lógica TSPC (True Single Phase Clock Logic). Comparación y utilidad de las diferentes lógicas dinámicas. Diseño avanzado de subsistemas digitales. Sumadores. Multiplicadores. Decodificadores y multiplexores. Unidades aritmético-lógicas. Subsistemas secuenciales avanzados. Diseño digital de bajo consumo. Análisis del consumo en circuitos integrados digitales CMOS. Minimización de la potencia estática. Minimización de la potencia debida a corrientes de fugas. Minimización de la potencia de cortocircuito. Minimización de la potencia dinámica. Generación y distribución del reloj. Restricciones temporales asociadas al reloj. Estrategias de distribución de reloj. Generación del reloj. Sincronización del reloj Uso de DPLLs. Memorias. Tipos de memorias. Estructura externa de una memoria semiconductora. Estructura interna de una memoria semiconductora. Memoria RAM estática: SRAM. Memoria RAM dinámica: DRAM. Algunas variantes sobre memorias volátiles. Memorias semiconductoras no volátiles. Memorias Flash.
• Funciones analógicas del sistema. Introducción. Referencias de tensión. Definición de la función. Parámetros que afectan al comportamiento de la función Figuras de mérito. Estrategias de diseño Topología de circuitos. Referencias de corriente. Definición de la función. Parámetros que afectan al comportamiento de la función Figuras de mérito. Estrategias de diseño Topologías de circuitos. Amplificación. Características eléctricas de los amplificadores. Implementaciones de una sola etapa. Etapa de ganancia cascodo. Amplificador diferencial. Amplificador operacional básico. Amplificadores de salida. Amplificadores de bajo consumo y baja tensión. Circuitos de capacidades conmutadas. Introducción a las capacidades conmutadas. El integrador como circuito básico. Limitaciones prácticas de los circuitos con capacidades conmutadas. Técnicas de diseño de filtros con capacidades conmutadas. Circuitos de capacidades conmutadas con baja tensión. Implementaciones actuales y aplicaciones. Convertidores Digital/Analógico. Definiciones y conceptos básicos de la conversión digital/analógico. Técnicas básicas de conversión digital/analógico. Implementaciones actuales y limitaciones tecnológicas. Convertidores Analógico/Digital. Definiciones y conceptos básicos de la conversión analógico/digital. Muestreadores. Técnicas básicas de conversión analógico/digital. Implementaciones actuales y limitaciones tecnológicas.
• Integración del sistema mixto. Introducción. Tecnologías complementarias a CMOS. Tecnología BiCMOS (Bipolar CMOS). Proceso típico BiCMOS. Inversor BiCMOS. Puertas NAND y NOR BiCMOS. Ejemplos de aplicación de tecnología BiCMOS. Tecnología SOI (Silicon On Insulator). Introducción. Características y aplicaciones de CMOS SOI. Tecnología MCM (Multichip Module). Tecnología MEMS (MicroElectro-Mechanical Systems). Introducción. Características mecánicas del silicio. Métodos de fabricación. Áreas de aplicación. Circuitos integrados de radiofrecuencia. Arquitecturas receptoras y transmisoras para RF. Circuitos básicos para radiofrecuencia. Aspectos de integración de sistemas RF en tecnología CMOS. Ejemplo 1: Microsistema autocalibrado transmisor/receptor de ultrasonidos. Descripción de las membranas de silicio. Diagrama de bloques del circuito. La fuente de ultrasonidos. El receptor de ultrasonidos. Implementación. Ejemplo 2: Sensor de imagen CMOS. Principio de funcionamiento. Estructura general del sensor. Operación del pixel. Lectura de la señal de columna. Variaciones entre pixel y entre columnas. Conclusiones. Ejemplo 3: Sistema audiométrico analógico-digital integrado. Diagrama de bloques. Generador de señales digital. Sección analógica. Implementación del sistema. Ejemplo 4: Receptor monolítico de teléfonos inalámbricos para la normativa DECT. Diagrama de bloques. Análisis de los bloques del sistema. Implementación. Ejemplo 5: Sistema en Chip (SoC) para aplicaciones Bluetooth. Introducción a Bluetooth. Implementación de módulos Bluetooth.