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Resumo

Reduzir ao mínimo a potência consumida por um circuito integrado, começa a ser uma das mais difíceis e necessárias tarefas do seu projecto. Com efeito, as maiores limitações no desenvolvimento de novas tecnologias e circuitos, não resultam de factores relacionados com a redução das suas dimensões mínimas de fabrico, mas sim de barreiras impostas pelo encapsulamento e seu arrefecimento. A necessidade de projectar circuitos integrados com consumo reduzido e a expansão rápida do mercado de equipamento electrónico portátil, estão a fazer crescer o interesse por circuitos integrados com muito baixo consumo de potência. Mas, projectar circuitos integrados tendo em vista estes objectivos, força a diminuição das tensões de alimentação e a redução dos elementos parasitas associados às interligações metálicas, uma vez que estes são os mais importantes parâmetros relacionados com o consumo de potência. Para que a performance não seja posta em causa, a redução das tensões de alimentação implica a diminuição da tensão de limiar dos transístores, o que por sua vez provoca uma série de inconvenientes, tanto no desenvolvimento de tecnologias de fabrico como no projecto de circuitos. Por exemplo, em circuitos digitais as margens de ruído são fortemente estreitadas e as correntes residuais de transístores supostamente no estado de corte, ganham um papel que não pode ser mais desprezado. No caso dos circuitos analógicos as perspectivas são ainda menos optimistas, uma vez que a gama dinâmica é dramaticamente restringida e o ganho de transconductância dos transístores severamente limitado, pois terão certamente que operar em inversão fraca. As interligações dentro do chip são também cruciais, dado que para além de serem uma das causas de dissipação de potência, tem uma acção fundamental no desempenho dos circuitos, uma vez que parâmetros como a largura de banda ou a máxima frequência de relógio, estão cada vez mais delas dependentes. Com este cenário em mente, fica claro que em circuitos de muito baixo consumo de potência, a margem para erro é muito pequena e qualquer incerteza tanto nos parâmetros de fabrico como de circuito, pode arruinar a performance do circuito integrado. Como no projecto de circuitos integrados os simuladores tem um papel relevante, estes problemas só podem ser resolvidos, garantindo uma qualidade e precisão muito alta nas ferramentas de simulação. Sendo claro que as ferramentas convencionais não são apropriadas para rigorosamente analisar este tipo de circuitos integrados, nesta tese é proposto um conjunto integrado de soluções de simulação, onde todos os esforços para obter uma muito elevada precisão, são tidos em conta. Nele são interligadas ferramentas de simulação típicas de ambientes ECAD com a exactidão dos simuladores em ``frameworks'' TCAD. Um simulador de circuitos, sem os inconvenientes daqueles que usam modelos compactos, usa directamente os resultados de ``device simulators'' para modelar transístores e outros elementos activos, enquanto condensadores e resistências parasitas são extraídos a partir de um modelo tridimensional do circuito integrado construído por simuladores topográficos. Desta maneira, é possível optimizar globalmente parâmetros de circuitos e da tecnologia de fabrico, para assim obter a melhor solução para uma dada aplicação. Neste trabalho é desenvolvida uma tecnologia apropriada para circuitos com tensões de alimentação inferiores a 1V e vários circuitos, tanto digitais como analógicos, são apresentados como exemplos do seu uso, incluindo um inovador amplificador operacional capaz de operar com tensões mínimas de 0.5V.


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Rui Martins
1999-02-24