DISEÑO DE UN CHIP CON TECNOLOGÍA CMOS ORIENTADO A LA ENSEÑANZA DE LA ELECTRONICA INTEGRADA.

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1 DISEÑO DE UN CHIP CON TECNOLOGÍA CMOS ORIENTADO A LA ENSEÑANZA DE LA ELECTRONICA INTEGRADA. Gustavo Adolfo Patiño (1), Eugenio Duque (2), José Edinson Aedo Cobo (2) (1) Laboratorio de Microelectrônica Universidade de São Paulo - Brasil. (2) Grupo de Microelectrónica y Control Universidad de Antioquia gpatino@lme.usp.br, joseaedo@udea.edu.co, eaduque@udea.edu.co SUMMARY With the progresses that microelectronic field has been experimented, it has appeared the necessity to incorporate at the program of studies at undergraduate level of electrical engineering subjects that cover the new CI design methodologies and manufacture process, especially with CMOS devices. The difficulties with this requirement arise from the high costs that are required for the manufacture of the designed circuits by the students. This work presents the development of a CI, which has been specially designed to use it as experimental tool within the first course that treats on CMOS design methodologies. The integrated circuit is conformed of a set of subsystems such as: ring oscillators, small signal amplifiers, analog transmission gates and switched capacitor filters. These subsystems can be used by the students in their experimental practices. The chip also was conceived in order to it can be used in a WEB based laboratory of analog electronics. The Chip was designed utilizing CADENCE software using a 0.6 microns CMOS process. It was manufactured by AMS through MPC (multi project chip) services from TIMA laboratory in France. In this paper the experimental tests of the chip are also presented.. RESUMEN Con los avances que ha experimentado la microelectrónica, se ha presentado la necesidad de incorporar en los programas de ingeniería eléctrica y electrónica, temas que cubran las nuevas metodologías de diseño y procesos de fabricación de Circuitos Integrados (CIs), especialmente de aquellos conformados por dispositivos CMOS. Una dificultad que se ha encontrado para llevar a cabo esta tarea, está relacionada con los costos que implica el envío para fabricación de circuitos diseñados por los estudiantes. En este trabajo se presenta el diseño de un CI concebido especialmente para que pueda ser utilizado como una herramienta central en un primer curso de diseño de circuitos electrónicos con dispositivos CMOS. Dentro del CI se han diseñado un conjunto de subsistemas simples, tales como: amplificadores de pequeña señal, osciladores, compuertas de transmisión analógicas y filtros de capacitancias conmutadas sencillos, que pueden ser utilizados por los estudiantes en sus prácticas experimentales. El chip también se elaboró para que pueda ser usado dentro de una estrategia de laboratorios basados en la WEB. El Chip fue diseñado en un tecnología de 0.6 µm con tres niveles de metal, y fue fabricado a través del MPC francés. En este trabajo se presenta los resultados de las pruebas realizadas con el circuito..

2 DISEÑO DE UN CHIP CON TECNOLOGÍA CMOS ORIENTADO A LA ENSEÑANZA DE LA ELECTRONICA INTEGRADA. Gustavo Adolfo Patiño (1), Eugenio Duque (2), José Edinson Aedo Cobo (2) (1) Laboratorio de Microelectrônica Universidade de São Paulo - Brasil. (2) Grupo de Microelectrónica y Control Universidad de Antioquia gpatino@lme.usp.br, joseaedo@udea.edu.co, eaduque@udea.edu.co ABSTRACT With the progresses that microelectronic field has been experimented, it has appeared the necessity to incorporate at the program of studies at undergraduate level of electrical engineering subjects that cover the new CI design methodologies and manufacture process, especially with CMOS devices. The difficulties with this requirement arise from the high costs that are required for the manufacture of the designed circuits by the students. This work presents the development of a CI, which has been specially designed to use it as experimental tool within the first course that treats on CMOS design methodologies. The integrated circuit is conformed of a set of subsystems such as: ring oscillators, small signal amplifiers, analog transmission gates and switched capacitor filters. These subsystems can be used by the students in their experimental practices. The chip also was conceived in order to it can be used in a WEB based laboratory of analog electronics. The Chip was designed utilizing CADENCE software using a 0.6 microns CMOS process. It was manufactured by AMS through MPC (multi project chip) services from TIMA laboratory in France. In this paper the experimental tests of the chip are also presented. 1. INTRODUCCIÓN La microelectrónica es una de las disciplinas que más ha avanzado en las últimas décadas. Estos avances repercuten de manera significativa en los currículos de las escuelas de ingeniería eléctrica y electrónica, pues deben adaptarse de manera dinámica para incorporar el uso de los nuevos dispositivos, tecnologías y metodologías de diseño, en sus planes de formación. En la actualidad, los MOSFETs son los dispositivos más utilizados para la implementación de sistemas electrónicos tanto analógicos como digitales [1,2,3]. Se destaca recientemente el desarrollo de sistemas electrónicos de señal mixta ( Mixed Signal Circuits ), tales como amplificadores, comparadores, conversores, circuitos de conmutación, de potencia, y dispositivos de sincronismo como osciladores y generadores de señal. Por otra parte, con el avance de la tecnología de fabricación de circuitos integrados, existen actualmente muchas compañías y universidades, que a través de los MPCs ( Multi Project Chip ), ofrecen servicios de fabricación de circuitos que pueden ser especialmente diseñados para una gran variedad de aplicaciones. Esto ha hecho accesible el uso de esta tecnología a costos no tan elevados. Igualmente, las metodologías de diseño tales como las basadas en celdas estándar ( standard cells ), y herramientas de CAD asociadas, presentan un grado de maduración apreciable. Por las razones expuestas se ha hecho necesario, en la formación a nivel de pregrado en los programas de ingeniería eléctrica y electrónica, la incorporación de temas que cubran las metodologías de diseño y los procesos de fabricación de CIs, especialmente los elaborados con dispositivos CMOS. Una dificultad que se ha encontrado, está relacionada con los costos que implica el envío a fabricación de los numerosos circuitos diseñados por los estudiantes, los rígidos cronogramas de fabricación que tienen los MPCs, y el requerimiento de gran número de licencias de las herramientas de CAD. Lo anterior se torna aún más crítico cuando los grupos de estudiantes son numerosos. Como una estrategia para vencer estas dificultades, así sea de manera parcial, en este trabajo se presenta el diseño de un CI concebido especialmente para que pueda ser utilizado como una herramienta central en un primer curso de diseño de circuitos electrónicos con dispositivos CMOS, usando una tecnología relativamente moderna. Dentro del CI se ha diseñado un conjunto de subsistemas simples, tales como: amplificadores de pequeña señal, osciladores, compuertas de transmisión analógicas y filtros de capacitancias conmutadas sencillos, que pueden ser

3 utilizados por los estudiantes en sus prácticas experimentales. El hecho de ser un circuito diseñado localmente y construido a través de un MPC, permite tener acceso a simulaciones detalladas, a toda la descripción de las máscaras de fabricación, y a los modelos de simulación de cada dispositivo, siendo además posible observar físicamente todos los detalles internos del CI mediante el uso de un microscopio. Todo esto permite, aunque de manera parcial, un acercamiento un poco más práctico a los conceptos teóricos tratados en un curso. Por otra parte, el circuito fue diseñado considerando su integración dentro de la estrategia de laboratorios basados en la WEB [4] que actualmente está implementando el Grupo de Microelectrónica y Control de la Universidad de Antioquia. Lo anterior significa que cada uno de los subsistemas puede ser accesible a través de compuertas de transmisión analógicas, internas al chip, que son controladas por una señal digital. De esta forma la conexión y desconexión de cada sub módulo podría hacerse por comandos enviados desde un microcontrolador que responde a peticiones remotas enviados a través de Internet. Con esto se facilita la conexión y desconexión de los instrumentos de medida y las fuentes de excitación de cada sub módulo. Para el diseño del chip se utilizó el paquete CADENCE [5], y una tecnología CMOS de 0.6µm con tres capas de metal [6]. El circuito se fabricó a través del MPC Francés [7]. En este trabajo se presentan los resultados de las pruebas realizadas sobre el circuito diseñado. Este trabajo ha sido organizado de la siguiente manera: en la sección 2 se hace una descripción general del chip. En la sección 3, se describe la forma como se integra el circuito en la estrategia de los laboratorios basados en la WEB. En la sección 4, se muestran resultados de las pruebas hechas sobre el circuito integrado y finalmente en la sección 5, se presentan las conclusiones y los trabajos futuros que se desarrollarán en esta línea. 2. DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO INTEGRADO El Circuito Integrado (CI) se diseñó con un encapsulado de 40 pines, donde 38 son usados efectivamente. Estos pines son destinados para la aplicación de señales análogas de entrada y salida, señales de control, y voltajes de polarización, de un conjunto de 9 configuraciones circuitales análogas y de señal mixta [8]. A continuación se describen cada unos de los módulos. 2.1 Amplificadores fuente común Dentro del CI hay dos amplificadores fuente común [8]. El primero de ellos presenta sus terminales de entrada y de salida conectadas directamente a los respectivos pines del encapsulado del chip. El segundo de estos amplificadores posee dos suiches analógicos conectados entre las terminales de entrada y de salida y los respectivos pines del encapsulado. Por ello se precisa de señales de control que activen o desactiven dichos circuitos de conmutación para que la señal de entrada llegue al amplificador desde el pin externo y la señal de salida del amplificador pueda ser llevada al pin salida correspondiente. La figura 1 muestra el esquema circuital del amplificador fuente común. Figura 1. Esquemático de amplificador fuente común [8] 2.2 Amplificador seguidor de fuente con espejo de corriente El CI dispone de dos configuraciones de seguidor de fuente (SF) [8], donde la diferencia que existe entre ellas es la misma observada en el caso anterior con los amplificadores Fuente Común, es decir, una de las dos configuraciones posee circuitos de conmutación en la entrada y en la salida de las señales análogas. En la figura 2 se muestra el esquemático del seguidor de fuente. Los destalles del diseño de cada sub sistema se pueden consultar en la referencia [8]. 2.3 Compuerta de transmisión analógica La compuerta de transmisión permite el paso, o no, de una señal analógica de acuerdo con la aplicación de una señal de digital de control [8]. En la figura 3 se muestra el esquemático de este subsistema. Los terminales de esta compuerta son accesibles a través de pines del CI.

4 Figura 2.Esquemático de amplificador SF[8]. Figura 3.Esquemático de la Compuerta de transmisión analógica [8]. 2.4 Oscilador en anillo El oscilador en anillo se implementó con 25 etapas de inversores y una señal de control para variar la frecuencia de oscilación [8]. El objetivo de este subsistema es que los estudiantes verifiquen su funcionamiento. Se utilizó un buffer de alta capacitancia para poder observar la señal de salida del oscilador utilizando un osciloscopio. En la figura 4 se muestra el esquemático de la celda básica del oscilador en anillo. Figura 4. Celda básica del oscilador en anillo[8]. 2.5 Filtro de capacitancias conmutadas [9] Los filtros RC activos poseen dos propiedades que hacen difícil su realización en forma de CI. Estas propiedades son la necesidad de capacitancias de elevado valor y el requisito de constantes de tiempo RC muy precisas. La técnica de filtro de capacitancias conmutadas se basa en que la formación de un condensador conmutado entre dos nodos de circuito, a una rapidez suficientemente alta, es equivalente a un resistor conectado entre estos dos nodos [1]. En la figura 5 se muestra el diseño de un filtro pasabajos conmutado compuesto por dos unidades básicas de compuertas de transmisión y dos condensadores, que a la frecuencia de las señales definidas como las fases de control de cada suiche, definen el ancho de banda del filtro [9]. Dichas fases de control son conectadas como señales externas del CI, por lo cual se dispone de dos pines para su conexión. De este modo se puede variar el ancho de banda del filtro debido a la dependencia de éste en función de la frecuencia de las señales de control.

5 El chip reportado en este trabajo se diseñó con 5 esquemas circuitales que sirven como experimentos. Para hacer posible su conexión al laboratorio basado en la WEB, cada esquema se diseñó con compuertas de transmisión analógicas que permiten conectar o desconectar las entradas y las salidas de los esquemas circuitales. De esta forma los instrumentos utilizados en el laboratorio pueden también ser usados para realizar las pruebas remotamente. En el laboratorio, la conexión de los instrumentos a los esquemas es realizado mediante la utilización de un microcontrolador que envía comandos digitales a los suiches de interconexión. Figura 5.Esquemático del filtro de capacitancias conmutadas En la figura 6 se muestra el layout del filtro diseñado. Figura 6. Layout del filtro de capacitancias conmutadas 3. INTEGRACIÓN DEL CHIP AL LABORATORIO BASADO EN LA WEB Los laboratorios basados en la WEB para la enseñanza en Ingeniería Electrónica han venido ganando interés en los últimos años. Un laboratorio basado en la WEB [4] para la enseñanza de la electrónica consiste de un conjunto de instrumentos de medidas, de generadores de señales, fuentes DC y un conjunto de esquemas experimentales cuyos parámetros tales como resistencias de carga y polarización, pueden ser variados. Igualmente este laboratorio cuenta con un sistema de interconexión programable que permite la conexión de los instrumentos con los esquemas que se desean probar. Para que el laboratorio sea accesible a través de la WEB, la programación de los esquemas experimentales y de los instrumentos (así como la lectura de medidas realizadas), al igual que el sistema de interconexión, debe poder hacerse desde una página WEB. 4. RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DEL CHIP El chip se diseñó y fabricó utilizando un tecnología CMOS de 0.6 µm con tres niveles de metal. El área total del chip fue de 4 mm 2. Se utilizaron 38 pines de entradasalida, de los cuales 10 se utilizaron para las polarizaciones del CI (de la parte analógica y de la parte digital del mismo). En la figura 7 se muestra una fotografía, lograda mediante un microscopio, de la parte del circuito donde se encuentra un filtro de capacitancias conmutadas. Cada uno de los esquemas circuitales fueron probados verificando su funcionamiento de acuerdo a lo proyectado en la teoría y en la simulación. En la figura 8 se muestra, el montaje experimental donde se detalla el resultado de la salida del circuito oscilador en anillo, el cual mostró una frecuencia de oscilación de apróximadamente 28 MHz. La frecuencia medida se encontró muy por debajo de la establecida en la simulación eléctrica, debido a que no se tuvieron en cuenta las capacitancias parasitas introducidas y la aportada por el buffer de gran capacidad que se usó para poder observar la señal de salida. Figura 7. Fotografía de una sección del chip donde se muestran detalles de filtro de capacitancias conmutadas.

6 En la figura 9 se muestra la señal de entrada y de salida medida con un oscilospio HP 54610B de 500 MHz, cuando se utiliza la compuerta de transmisión analógica en su estado on. Como se observa en la figura, para realizar esta prueba se utilizaron señales en forma de rampa a 100 KHz. Pruebas adicionales realizadas con señales senoidales a 15 MHz, mostraron que se introduce un atraso entre la señal de entrada y de salida de aproximadamente 8ns. Figura 10. Prueba del seguidor de fuente con una señal de 1 V pico a pico senoidal. La señal del canal 1 es la entrada y la del canal 2 es la salida del amplificador Figura 8. Montaje experimental para la realización de las pruebas del circuito, donde se muestra la salida del oscilador en anillo. En la figura 11 se muestra el resultado de la prueba del amplificador seguidor de fuente con una señal de entrada senoidal de 1 voltio pico a pico a 10 KHz. La ganancia obtenida fue de aproximadamente 0.87V/V, que se encuentra cerca de la estimada por simulación eléctrica (0.96V/V). Debe notarse sin embargo que la resistencia de polarización usada en el diseño y la simulación fue de 40 ohmios, en tanto que la usada en el montaje experimental fue de 50 ohmios. Figura 9. Observación de las señal de entrada y de salida en la puerta de transmisión analógica Finalmente los otros módulos también fueron probados funcionalmente y se comportaron de acuerdo con lo esperado. 5. CONCLUSIONES En este trabajo se presentan los resultados de las pruebas de un circuito integrado que se diseño utilizando una tecnología CMOS de 0.6 µm compuesta por tres niveles de metal. El circuito fue concebido para ser utilizado como herramienta para la enseñanza de la electrónica integrada en pregrado. El circuito posee 5 esquemas experimentales diferentes. Cuatro de ellos se implementaron en dos versiones: uno con los terminales de entrada/salida conectados a pines del encapsulado y otro con los terminales accesibles a través de puertas de transmisión analógicas internas, habilitadas con señales de control digitales. Pruebas de los esquemas circuitales (en su primera versión) mostraron un funcionamiento correcto. El circuito diseñado ocupó un área de 4 mm 2 y se fabricó a través de MPC Francés. El chip se concibió para ser fácilmente integrado a la estrategia de laboratorio basados en la WEB. El hecho de tener la posibilidad de acceder los laboratorios a través de la WEB, permite beneficiar un mayor número de estudiantes y optimizar los recursos de los laboratorios, en lo concerniente a tiempo de uso y espacio físico. Esta estrategia de laboratorios basados en la WEB, permite que estudiantes de instituciones educativas previamente autorizadas tengan también acceso a las facilidades del laboratorio. Como trabajos futuros se plantea el diseño de un manual, y las pruebas exhaustivas de los esquemas que son

7 accesibles a través de las puertas de transmisión analógicas. También el desarrollo de la interfaz y el software necesario para establecer la posibilidad de hacer pruebas del chip utilizando el laboratorio basado en la WEB. ES importante anotar que el conocimiento adquirido con el diseño de este chip, puede ser extendido para la realización de circuitos integrados no solo análogos y de señal mixta, sino también digitales, mediante el uso de otras herramientas de CAD disponibles en el paquete CADENCE [5]. 7. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Vicerrectoría de Investigaciones de la Universidad de Antioquia por su apoyo financiero para el desarrollo de este proyecto. También agradecen a los estudiantes: Marcela Zuluaga y Sebastián Isaza por su colaboración en las pruebas del circuito integrado. [4] H. Giraldo Arboleda, M. Alvarez Mesa and J. E. Aedo Cobo, A technology for building web-based laboratories for teaching electronics, in book: Computers and Education: Towards a Lifelong Learning Society, Kluwer Academic Publishers, December, [5] Cadence Inc. [6] Austria Microelectronics Systems, AMS. 0.6µm CMOS, [7] MPC Frances, [8] G. A. Patiño y J. E Aedo, Implementación de un circuito integrado orientado a la enseñanza del proceso de diseño de circuitos analógicos básicos con tecnología CMOS. Memorias EITI-2002, ISBN , Universidad Nacional. Medellín, Colombia, pp , Octubre [9] R. H. Caverly. Analog Design Resource Kit Tutorial 4. Single Pole Switched Capacitor Filter.Disponible en: f 10. REFERENCIAS [1] A. S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic Circuits, 4th ed. New York: Oxford Univ. Press [2] C. J. Savant Jr, M. S. Roden. y G. L. Carpenter, Diseño Electrónico. Circuitos y sistemas, 3ra ed. México: Pearson Educación, [3] D. J. Vorner and D. T. Corner, Teaching MOS Integrated Circuit Amplifier Desing to Undergraduates, IEEE Trans. On Education