Presentación Diseño de ultra bajo consumo EAMTAmaterias.fi.uba.ar/6610/Especiales/presentacion para mandar.pdf · Presentación Diseño de ultra bajo consumo EAMTA Básico Potencia

PresentaciónDiseño de ultra bajo consumo

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EAMTA 2010

Daniel SanchezMartin Echarri

21 de octubre de 2010

Daniel Sanchez Martin Echarri EAMTA 2010


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Cursos

BásicoI Introducción a VLSII Diseño de un circuito integrado

Avanzado 1I Caracterización de dispositivos MOSI Diseño analógico de ultra bajo consumoI Ruido en dispositivos

Avanzado 2I MEMSI Circuitos en RF

DigitalI Diseño digital



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Curso básico



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Potencia y consumo

Pentium 4, 3,4GHz , tenconología 90nm. Consumo 118W !!!IDD = 91A @ VDD = 118WProcesador “Low power”. Consumo, algunos WattBaterías 50mAh (tipo botón) hasta 1Ah, 2Ah (alcalinas, recargables)1Ah ∼ 114A · anioMicropower: Consumo del orden del Watt / Ampere.

I Relojes pulseraI Dispositivos médicos implantables

Actualmente: Nanoconsumo o Ultra bajo consumo (ULP)I Dispositivos médicosI Redes de sensores inalámbricos, RFID



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IdeaPlasmando la ideaEjemplosVolviendo al concepto

Diseño de ultra bajo consumo ¿Por qué?

Aplicaciones donde no se puede consumir mucho (Ej. un marcapasos)En algunos casos trae mejoras frente al ruidoMuchas veces resulta ser más eficiente el MOS



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El MOS



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Corrientes en el MOS

Corriente de arrastre:I Velocidad media de portadores µEI I proporcional a la cantidad de portadores.

Corriente de difusión:I Debida al al movimiento aleatorio de los portadoresI I proporcional al gradiente de concentración



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Diagramas de Memelink



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¿Qué hay que hacer para que un transistor MOS funcione?¿Y si VGS en menor que VT ?NOS MINTIERON!, hay vida antes de VT



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La vida antes de VT



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Modelos válidos en todas las zonas

EKV (Enz, Krummenacher, Vittoz, EPFL, Suiza, AICSP 1995):interpolación matemática entre ecuaciones de inversión débil y fuerte.ACM (Advanced Compact Model, A. Cunha, C. Galup-Montoro, M.Schneider, UFSC, Brasil, IEEE JSSC 1998): Modelo físico... o curvas experimentales o de simulación



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OTA: Operational transconductance amplifierA0 = gmro = gm

gd= gm

Id VAfT = gm

2πCL

Consumo: IDCompromiso velocidad consumo: gm

ID



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gmID

gmID

=1ID

∂ID∂VG

=∂ log(ID)∂VG



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A mayor corriente disminuye la “eficiencia de generación de gm”Para operar a la máxima frecuencia que permite la tecnología ⇒ altacorriente ⇒ inversión fuerte ⇒baja eficiencia



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Cuando los efectos de canal corto no son significativos:

ID = µWL f (VG ,VS ,VD)

gmID

= f (Inorm)

Inorm =IDWL

Inorm =ID

µCoxWL

Inorm = If =IDIS

Cuando los efectos de canal corto son significativos: gmID = f (Inorm, L)



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Diseño analógico con transistor bipolar (TBJ) gm = ICVT

1 grado de libertadDiseño analógico con MOS: gm = f (ID,W , L)3 grados de libertadTradicionalmente: solo parte del espacio de diseño la región deinversión fuerte.



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gmID y L elegidos en función del ancho de banda y ganancia deseados.Se puede implementar en Octave, para una fácil exploración delespacio de diseño.Las capacidades parásitas dependen de W y L. Se puede iterar paratenerlas en cuenta.



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Requerimientos: fT = 10MHz , CL = 3pF , Tecnología: 0,8µm⇒ gm = 2πfT CL = 0,19msElijo L = 2µm, gm

ID = 15 ⇒ A0 = VA(L) · gmID = 51,5dB

De gm y gmID tenemos ID = gm

gmID

= 12,6µA

De gmID = 1

nVT2√

1+if +1 o curvas if = 4,3WL = ID

If12 nµCOX V 2

T

= 55,4

Como L = 2µm⇒W = 111µm⇒ Cjd = CjSDrain + Cjsw PerimetroDrain = 0,13pFCL = 3pF + 0,13pF A partir de esto se puede iterar desde el principio



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Mismo caso que recién:L = 2µm, pero gm

ID = 25⇒ A0 = 55,6dBPero luego de iterar: ID = 30,4µA,WL = 3715⇒W = 7430µm⇒ Cjd = 8,62pF ⇒ CLTot = 11,62pF

ID aumentó en vez de disminuir!Esto debido a que W

L y por ende Cjd aumentaron mucho.



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Otra vez el mismo caso, ahora:L = 2µm, pero gm

ID = 21⇒ A0 = 54,4dBPero luego de iterar: ID = 10,6µA,WL = 230⇒W = 460µm⇒ Cjd = 0,54pF ⇒ CLTot = 3,54pF



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Ventajas de la metodología

Top-down: De especificaciones y ecuaciones de diseño a lasverdaderas incógnitas.Global y rápida: El espacio de diseño completo y desempeñorápidamente explorados.Sistemática: Se puede extender a cualquier OTA.Pocos parámetros tecnológicos o directamente a partir de datosexperimentales.Pocas ecuaciones del modelo del MOS o tablas experimentales.Eficiente: Genera diseños optimizados y válidos “de entrada”.



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Apareo

Transistores más grandes se aparean mejor.Modelo de Pelgrom:



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En principio mejor en inversión fuerte (SI) (gmID mínimo), pero en SI el área

de gate disminuye (para una corriente constante) ⇒ el óptimo está eninversión moderada (dependiendo del proceso).

RO = 1gd2

= VA2ID2

(medio)Ri =

1gm1



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¿Por qué ir?

Conocimientos interesantesIntercambios con personas de otras facultades y hasta de otros paises.Intercambios con personas de FIUBA (que tal vez los conozcas ahí).Oportunidad de viajar



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Por suerte el año que viene es en FIUBAI No hay gastos de viajes ni hoteles.I Va a ser la semana antes de que empiecen las clases el segundo

cuatrimestre.I

¿Por suerte?


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