1.1 Introducción... 23
1.1.1. Sistemas integrados de proceso digital .............................................................................. 27
1.1.2 Sistemas de telecomunicación ............................................................................................ 29
1.1.3 Conclusión ... 31
1.2 Principios, subsistemas y diseño ................................................................................................ 32
Referencias ... 34
2 Tecnología de circuitos integrados
2.1 Introducción... 37
2.2 Fundamentos de los dispositivos MOS ...................................................................................... 38
Índice
Diseño de circuitos y sistemas integrados
16
2.2.1 Estructura básica: Condensador MOS ................................................................................ 38
2.2.2. Concepto de inversión de portadores en una película de la superfi cie del semiconductor,
tensión umbral... 40
2.2.3 Estructura de un transistor MOS......................................................................................... 41
2.2.4 Característica I/V de un transistor MOS............................................................................. 42
2.2.5 Parámetros y características de los dispositivos y las intercon. en tecnología CMOS....... 45
2.2.6 Modelo analítico del transistor MOS.................................................................................. 47
2.2.7 Características eléctricas de los circuitos CMOS ............................................................... 49
2.2.8 Capacidades en un transistor MOS..................................................................................... 50
2.2.9 Modelo de pequeña señal de un MOS en saturación .......................................................... 51
2.3 Fundamentos de la tecnología de fabricación de circuitos integrados CMOS........................... 52
2.3.1 Fundamento de la fabricación de circuitos integrados........................................................ 52
2.3.2 Relación de mascaras físicas y capas de diseño en una tecnología CMOS twin-well ........ 53
2.3.3 Fases del proceso de fabricación ........................................................................................ 54
2.3.4 Concepto de oblea... 60
2.4 Tendencias en la evolución tecnológica. Modelos de escalado microelectrónico...................... 61
2.4.1 La evolución de la tecnología microelectrónica y la ley de Moore .................................... 61
2.4.2 Modelos de escalado tecnológico para dispositivos CMOS............................................... 62
2.4.3 Modelos de escalado tecnológico para las interconexiones................................................ 63
2.4.4 Evolución de las principales caracterísitcas eléctricas de los circuitos integrados CMOS 65
2.4.5 Limitaciones de los modelos de escalado. Escenarios de escalado tecnológico realistas .. 67
2.4.6 Tendencias futuras en la evolución tecnológica.................................................................. 69
2.5 Efectos de la integración y la miniaturización en el comportamiento de los dispositivos......... 72
2.5.1 Latch-up, desapareamiento y otras consecuencias de la integración.................................. 72
2.5.2 Efectos de canal corto y portadores calientes ..................................................................... 73
2.6 Defectos y desviaciones del proceso de fabricación, rendimiento del proceso.......................... 75
2.6.1 Perturbaciones en el proceso de fabricación de un circuito integrado................................ 76
2.6.2 Rendimiento del proceso de fabricación............................................................................. 78
2.6.3 Impacto del rendimiento de fabricación en el costo unitario de un circuito integrado....... 80
2.6.4 Desviación de parámetros debido al proceso...................................................................... 81
Problemas ... 83
Referencias ... 86
3 Metodologías de diseño de circuitos integrados
3.1 Metodologías de diseño... 89
3.1.1 Niveles de abstracción y representaciones de un circuito microelectrónico ...................... 89
3.1.2 Diagrama de la "Y" y procedimientos involucrados en el diseño ...................................... 91
3.1.3 Variables de diseño para cada nivel de abstracción ............................................................ 93
Índice
17
3.1.4 Escenarios de objetivos de implementación ...................................................................... 96
3.2 Diagrama de fl ujo de diseño y herramientos de ayuda al diseño ............................................... 97
3.2.1 Diseño descendente, diseño ascendente.............................................................................. 98
3.2.2 Flujo de diseño típico en ASIC's ........................................................................................ 99
3.2.3 Herramientas CAD ... 105
3.2.4 Entornos EDA... 108
3.2.5 Tendencias futuras en CAD .............................................................................................. 108
3.3 Lenguajes de descripción y formatos ....................................................................................... 108
3.3.1 Modelos y simuladores físicos.......................................................................................... 109
3.3.2 Modelos y simuladores eléctricos..................................................................................... 109
3.3.3 Modelos y simuladores lógicos......................................................................................... 113
3.3.4 Modelos y simuladores de alto nivel ................................................................................ 117
3.4 Automatización del diseño microelectrónico ........................................................................... 119
3.4.1 Síntesis de alto nivel ... 120
3.4.2 Síntesis y optimización lógica .......................................................................................... 123
3.4.3 Síntesis a nivel físico: colocación y conexionado ............................................................ 124
3.5 Costes de la fase de diseño ... 129
3.5.1 Costes de personal ... 129
3.5.2 Costes de herramientas de diseño ..................................................................................... 130
3.5.3 Costes fi jos ... 131
3.6 Costes de diferentes alternativas de diseño de circuitos integrados......................................... 131
3.6.1 Full Custom... 131
3.6.2 Standard Cell ... 132
3.6.3 Gate Array ... 132
3.6.4 FPGA ... 132
3.6.5 Comparación entre alternativas ........................................................................................ 133
Problemas ... 135
Referencias ... 138
4 Interconexiones, componentes pasivos y de interfaz
4.1 Interconexiones ... 141
4.1.1 Jerarquía de interconexiones............................................................................................. 141
4.1.2 Efectos parásitos de las interconexiones........................................................................... 142
4.1.3 Modelación de las interconexiones................................................................................... 144
4.1.4 Cálculo simplifi cado de parámetros eléctricos ................................................................. 147
4.2 Encapsulados ... 152
4.2.1 Conexión electrica del chip............................................................................................... 153
4.2.2 Tipos de encapsulado ... 154
Diseño de circuitos y sistemas integrados
18
4.2.3 Modelación térmica ... 154
4.3 Componentes pasivos ... 157
4.3.1 Resistores ... 157
4.3.2 Condensadores ... 158
4.3.3 Inductores... 158
4.4 Buffers y celdas de Entrada/Salida ........................................................................................... 159
4.4.1 Control de nodos con gran capacidad. Fanin y Fanout.................................................... 159
4.4.2 Optimización de buffers... 160
4.4.3 Celdas E/S... 163
4.5 Diseño de bajo ruido... 168
4.5.1 Acoplamientos entre líneas ............................................................................................... 168
4.5.2 Ruido de conmutación ... 171
4.5.3 Ruido acoplado a través del substrato............................................................................... 173
Problemas ... 175
Referencias ... 176
5 Funciones digitales del sistema
5.1 Introduccion... 179
5.2 Prestaciones básicas de las familias lógicas ............................................................................. 179
5.3 Lógica CMOS estática... 181
5.3.1 Lógica CMOS estática convencional................................................................................ 181
5.3.2 Lógicas estásticas de transistores de paso......................................................................... 185
5.3.3 Lógica CVSL (Cascode Voltage Switch Logic) ................................................................ 187
5.4 Lógica dinámica ... 188
5.4.1 Bases de la lógica dinámica .............................................................................................. 188
5.4.2 Lógica C2MOS (Clocked CMOS Logic) ........................................................................... 190
5.4.3 Lógica CMOS dinámica de precarga y evaluación (PE Logic) ........................................ 190
5.4.4 Lógica CMOS Dominó... 191
5.4.5 Lógica NP Dominó (o Zipper) .......................................................................................... 193
5.4.6 Lógica CVSL (dinámica) .................................................................................................. 193
5.4.7 Lógica TSPC (True Single Phase Clock Logic)................................................................ 194
5.4.8 Comparación y utilidad de las diferentes lógicas dinámicas ............................................ 195
5.5 Diseño avanzado de subsistemas digitales ............................................................................... 195
5.5.1 Sumadores... 196
5.5.2 Multiplicadores ... 201
5.5.3 Decodifi cadores y multiplexores ...................................................................................... 204
5.5.4 Unidades aritmético-lógicas ............................................................................................. 205
5.5.5 Subsistemas secuenciales avanzados ................................................................................ 206
Índice
19
5.6 Diseño digital de bajo consumo ............................................................................................... 210
5.6.1 Análisis del consumo en circuitos integrados digitales CMOS ........................................ 210
5.6.2 Minimización de la potencia estática................................................................................ 216
5.6.3 Minimización de la potencia debida a corrientes de fugas ............................................... 216
5.6.4 Minimización de la potencia de cortocircuito................................................................... 217
5.6.5 Minimización de la potencia dinámica ............................................................................. 218
5.7 Generación y distribución del reloj .......................................................................................... 225
5.7.1 Restricciones temporales asociadas al reloj...................................................................... 225
5.7.2 Estrategias de distribución de reloj ................................................................................... 227
5.7.3 Generación del reloj... 230
5.7.4 Sincronización del reloj. Uso de DPLLs .......................................................................... 231
5.8 Memorias... 235
5.8.1 Tipos de memorias ... 235
5.8.2 Estructura externa de una memoria semiconductora ........................................................ 236
5.8.3 Estructura interna de una memoria semiconductora......................................................... 238
5.8.4 Memoria RAM estática: SRAM ....................................................................................... 238
5.8.5 Memoria RAM dinámica: DRAM.................................................................................... 241
5.8.6 Algunas variantes sobre memorias volátiles..................................................................... 243
5.8.7 Memorias semiconductoras no volátiles........................................................................... 244
5.8.8 Memorias Flash ... 245
Problemas ... 248
Referencias ... 251
6 Funciones analógicas del sistema
6.1 Introducción... 255
6.2 Referencias de tensión... 255
6.2.1 Defi nición de la función... 255
6.2.2 Parámetros que afectan al comportamiento de la función. Figuras de mérito.................. 256
6.2.3 Estrategias de diseño. Topología de circuitos ................................................................... 258
6.3 Referencias de corriente ... 268
6.3.1 Defi nición de la función................................................................................................... 268
6.3.2 Parámetros que afectan al comportamiento de la función. Figuras de mérito.................. 269
6.3.3 Estrategias de diseño. Topologías de circuitos ................................................................. 269
6.4 Amplifi cación ... 276
6.4.1 Características eléctricas de los amplifi cadores................................................................ 276
6.4.2 Implementaciones de una sola etapa................................................................................. 277
6.4.3 Etapa de ganancia cascodo ............................................................................................... 284
6.4.4 Amplifi cador diferencial ................................................................................................... 285
Diseño de circuitos y sistemas integrados
20
6.4.5 Amplifi cador operacional básico ...................................................................................... 287
6.4.6 Amplifi cadores de salida................................................................................................... 291
6.4.7 Amplifi cadores de bajo consumo y baja tensión............................................................... 294
6.5 Circuitos de capacidades conmutadas ...................................................................................... 298
6.5.1 Introducción a las capacidades conmutadas ..................................................................... 298
6.5.2 El integrador como circuito básico ................................................................................... 299
6.5.3 Limitaciones prácticas de los circuitos con capacidades conmutadas.............................. 301
6.5.4 Técnicas de diseño de fi ltros con capacidades conmutadas.............................................. 306
6.5.5 Circuitos de capacidades conmutadas con baja tensión.................................................... 313
6.5.6 Implementaciones actuales y aplicaciones ....................................................................... 315
6.6 Convertidores Digital/Analógico ............................................................................................. 316
6.6.1 Defi niciones y conceptos básicos de la conversión digital/analógico .............................. 317
6.6.2 Técnicas básicas de conversión digital/analógico............................................................. 320
6.6.3 Implementaciones actuales y limitaciones tecnológicas................................................... 329
6.7 Convertidores Analógico/Digital.............................................................................................. 332
6.7.1 Defi niciones y conceptos básicos de la conversión analógico/digital .............................. 332
6.7.2 Muestreadores... 333
6.7.3 Técnicas básicas de conversión analógico/digital............................................................. 336
6.7.4 Implementaciones actuales y limitaciones tecnológicas................................................... 348
Problemas ... 352
Referencias ... 355
7 Integración del sistema mixto
7.1 Introducción... 359
7.2 Tecnologías complementarias a CMOS ................................................................................... 359
7.2.1 Tecnología BiCMOS (Bipolar CMOS) ............................................................................. 359
7.2.1.1 Proceso típico BiCMOS ............................................................................................ 360
7.2.1.2 Inversor BiCMOS ... 360
7.2.1.3 Puertas NAND y NOR BiCMOS .............................................................................. 361
7.2.1.4 Ejemplos de aplicación de tecnología BiCMOS ....................................................... 361
7.2.2 Tecnología SOI (Silicon On Insulator) ............................................................................. 362
7.2.2.1 Introducción ... 362
7.2.2.2 Características y aplicaciones de CMOS SOI ........................................................... 363
7.2.3 Tecnología MCM (Multichip Module).............................................................................. 364
7.2.4 Tecnologia MEMS (MicroElectro-Mechanical Systems) ................................................. 366
7.2.4.1 Introducción ... 366
7.2.4.2 Características mecánicas del silicio ......................................................................... 367
7.2.4.3 Métodos de fabricación ............................................................................................. 368
Índice
21
7.2.4.4 Áreas de aplicación ................................................................................................... 370
7.3 Circuitos integrados de radiofrecuencia ................................................................................... 371
7.3.1 Arquitecturas receptoras y transmisoras para RF ............................................................. 371
7.3.2 Circuitos básicos para radiofrecuencia ............................................................................. 375
7.3.3 Aspectos de integración de sistemas RF en tecnología CMOS ........................................ 386
7.4 Ejemplo 1: Microsistema autocalibrado transmisor/receptor de ultrasonidos ......................... 387
7.4.1 Descripción de las membranas de silicio.......................................................................... 389
7.4.2 Diagrama de bloques del circuito ..................................................................................... 390
7.4.3 La fuente de ultrasonidos.................................................................................................. 390
7.4.4 El receptor de ultrasonidos ............................................................................................... 392
7.4.5 Implementación ... 393
7.5 Ejemplo 2: Sensor de imagen CMOS....................................................................................... 393
7.5.1 Principio de funcionamiento............................................................................................. 394
7.5.2 Estructura general del sensor ............................................................................................ 397
7.5.3 Operacion del pixel... 397
7.5.4 Lectura de la señal de columna......................................................................................... 400
7.5.5 Variaciones entre pixels y entre columnas ........................................................................ 403
7.5.6 Conclusiones... 405
7.6 Ejemplo 3: Sistema audiométrico analógico-digital integrado ................................................ 406
7.6.1 Diagrama de bloques ... 407
7.6.2 Generador de señales digital ............................................................................................. 408
7.6.3 Sección analógica ... 410
7.6.4 Implementación del sistema.............................................................................................. 413
7.7 Ejemplo 4: Receptor monolítico de teléfonos inalámbricos para la normativa DECT ............ 414
7.7.1 Diagrama de bloques ... 415
7.7.2 Análisis de los bloques del sistema................................................................................... 416
7.7.3 Implementación ... 419
7.8 Ejemplo 5: Sistema en Chip (SoC) para aplicaciones Bluetooth.............................................. 420
7.8.1 Introducción a Bluetooth................................................................................................... 421
7.8.2 Implementación de módulos Bluetooth ............................................................................ 423
Problemas ... 430
Referencias ... 431