Diseño de Ultra Bajo Consumo. I. Modelado del Transistor MOS para Diseño de Bajo Consumo

Transcripción

1 iseño de Ultra Bajo Consumo. Modelado del Transistor MOS para iseño de Bajo Consumo Fernando Silveira Universidad de la República Uruguay F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 1

2 Potencia vs. Baja Potencia vs. MicroConsumo vs. Ultra Bajo Consumo (ULP) Pentium 4, 3.4GHz, tecnología 90nm > Consumo118W!!, > V 1.3V Procesador Low Power para Notebooks > Consumo: algunos Watts > algunos Amps Baterías: 50mAh (botón) hasta 1Ah, 2Ah (alcalinas, recargables) 1 Ah 114 µa. año Micropower: Consumo del orden del µw / µa ( un millón de veces menos!!). Areas tradicionales» Relojes pulsera» ispositivos médicos implantables (marcapasos) Actualmente: Nanoconsumo o Ultra Bajo Consumo (ULP: Ultra Low Power)» ispositivos médicos» Redes de Sensores nalámbricos, RF F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 2

3 Ejemplo de circuitos: Sensado de Actividad en Marcapaso Objetivo: Ej. ndicador de actividad: Promedio en 3s del valor absoluto de la aceleración en la banda de Hz. Amplitud: decenas a centenas de µv Sensor Amplificador / filtro Rectificador ideal 3s Averaging F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 3

4 Objetivos de estas Presentaciones ar un panorama del diseño actual de circuitos integrados analógicos de ultra bajo consumo. Mostrar técnicas de diseño y análisis a nivel de circuito integrado y de sistema Física y modelado de los dispositivos Métodos de diseño y optimización Límites teóricos Técnicas a nivel circuito y sistema Mostrar perspectivas y temas de investigación en el área F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 4

5 Organización de las Presentaciones. Modelado del transistor MOS para diseño de bajo consumo.. Metodología de diseño de circuitos integrados analógicos MOS y operación bloques básicos.. Límites teóricos y nivel sistema V. Laboratorio F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 5

6 Modelado del transistor MOS para diseño de bajo consumo F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 6

7 Agenda. Transistor MOS: Revisión de conceptos básicos.. Transistor MOS: Modelado C para diseño ULP.. Transistor MOS: Modelo de pequeña señal. F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 7

8 . Transistor MOS (canal n) S SiO2 L G tox n+ n+ p Si Canal de inversión B Zona de deplexión Ancho W: dimensión en la dirección perpendicular a la pantalla F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 8

9 . Mecanismos de conducción de corriente: Arrastre (drift) y ifusión + + F F E V Arrastre (rift) velocidad media portadores µ.e, µ: movilidad proporcional a la concentración de portadores ifusión ebido a movimiento aleatorio portadores y gradiente de concentración v proporcional a gradiente de concentración Movimiento neto de portadores F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 9

10 . Estructura MOS de os Terminales: Tensión de Banda Plana ( Flat Band ) Polisilicio (conductor, metal) Aislante (óxido) G Semiconductor (silicio tipo p) G Metal B G B VGB VGB VFB (tensión de Flat Band) > No hay cargas netas acumuladas en sustrato y gate. B F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 10

11 . Estructura MOS de os Terminales: Acumulación, eplexión, nversión G G G VGB<VFB Acumulación VGB1>VFB eplexión B VGBVFB B G B VGB VGB2 >VGB1>VFB nversión Canal de nversión, electrones libres, Carga Qi F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 11 B

12 . Estructura MOS de os Terminales: Carga de nversión Qi Aproximación usual (inversión fuerte): Q i C ox.(vgb-vt0) Fuente: Tsividis F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 12

13 . Estructura MOS de Tres Terminales: Efecto de sustrato (efecto body ). Qi Si se aumenta VCB manteniendo VGC constante > Qi disminuye. Q i C ox.(vgb - VT0-λ.VCB), Para tener el mismo Qi, VGB y VGC tienen que aumentar en mayor proporción que VCB λ n F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 13

14 . Transistor MOS (Cuatro Terminales): Modelo simplificado inversión fuerte Q i Q i C ox.(vgb - VT0- λ.vcb) λ n V µ B W. ( Q L V SB i ) dv CB VGB F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 14

15 . Transistor MOS (Cuatro Terminales) iagrama de Memelink / Jespers (1) W µ. C ox L β V V B SB (V GB V λ.v F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 15 T0 CB ) dv CB Publicado en [Wallinga, Bult, EEE JSSC June 1989]

16 . Transistor MOS (Cuatro Terminales) iagrama de Memelink / Jespers (2) VGB VT0 VT0+λ.VCB Zonal Lineal, VB < VP (VGB-VT0)/λ VSB VB VP VCB S VGB VT0+λ.VCB G Saturación, VB > VP (VGB-VT0)/λ VT0 n+ n+ independiente de VB igual a β por área del triángulo. VSB VP VB VCB F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 16

17 S. Ej. escarga y carga de un condensador por un transistor nmos (3) 0V 5V V C (t0) 5V VGB VT0 VT0+λ.VCB Valor final de tensión en el condensador 0V 0V 5V VSB0 VP VCB VBVC 5V V C (t0) 0V S VGB VT0 VSBVC VT0+λ.VCB VCB VB5V F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 17 VP Valor final de tensión en el condensador: VP < 5V (en realidad carga muy lenta después de VP)

18 . Transistor MOS: el modelo más simplificado S Saturación β 2.( VGS VT0 ),VGS > VT0,V 2 Zona Lineal o Triodo 2 β VS. ( V ) GS VT0.VS,V 2 Zona de Corte 0,VGS VT0 S GS > V > V SAT T0,V V S GS < V V T0 SAT V GS F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 18 V T0 βµ.c ox.(w/l)

19 Caso ideal y realidad F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 19

20 Agenda. Transistor MOS: Revisión de conceptos básicos.. Transistor MOS: Modelado para diseño ULP.. Transistor MOS: Modelo de pequeña señal. F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 20

21 . Modelo simplificado: defectos para diseño analógico MOS: dispositivo de 4 terminales, simétrico respecto a y S. Efectos de segundo orden: Efecto de sustrato o efecto de cuerpo ( body ) (V T cambia con V SB ). Modulación de largo de canal o efecto Early ( cambia con V en saturación). Otros (saturación de velocidad, reducción de movilidad, efectos de canal corto...) Comportamiento cerca del umbral y por debajo de él. F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 21

22 . Corriente subumbral (1) F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 22

23 . Corriente subumbral (2) nversión Moderada (M..) nversión Fuerte (S..) (V G -V T ) 2 nversión ébil (W..) e VG/(n.UT) U T k.t/q n: factor de pendiente F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 23

24 . Modelos analíticos válidos en todas las regimenes de inversión. EKV (Enz, Krummenacher, Vittoz, EPFL, Suiza, ACSP 1995): interpolación matemática entre ecuaciones de inversión débil y fuerte. ACM (Advanced Compact Model, A. Cunha, C. Galup-Montoro, M. Schneider, UFSC, Brasil, EEE JSSC 1998): Modelo físico o curvas experimentales o de simulación F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 24

25 . Modelo ACM: Elementos básicos (1) µ W Q d φ dx drift S φ + t φ t d U T Q dx difusión k. T q 26mV K Considerar corrientes de arrastre y difusión φ s : potencial de superficie Q C φ γ ox GB FB φ V V S S Linealización de Q vs. φ S para V GB constante (V CB variable) Qi F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 25

26 . Modelo ACM: Elementos básicos (2) Linealización de Q vs. φ S para V GB constante (V CB variable) Q C φ γ ox GB FB φ V V S S Q n C ox ( ) φ φ dq n dφ s sa C ox s n γ d φ sa φ dv sa GB Punto de linealización: φ Sa φ S / Q despreciable (Q 0) φ sa V GB V FB 2 γ + 4 γ 2 2 F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 26

27 . Modelo ACM: Elementos básicos (3) Resultado Aproximación From: C. Galup-Montoro, A. Cunha, A Current- Based MOSFET Model for ntegrated Circuit esign, in Low-Voltage / Low- Power ntegrated Circuits and Systems: Low-Voltage Mixed-Signal Circuits edited by Edgar Sanchez-Sinencio, Andreas Andreou, EEE Press 1999 F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 27

28 F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 28. Modelo ACM Corriente de rain (1) + dx d dx d W Q Q t S φ φ µ drift difusión ( ) φ φ φ s ox sa s ox d n d n C Q C Q ( ) Q C Q C t ox ox d Q Q n L W n S φ µ ), ( ), ( V V V V B GB SB GB R F µ φ φ φ t ox S() 2 2 t ox F(R) C Q nc Q C n 2 t ox S() 2 L W n

29 . Modelo ACM Corriente de rain (2) F - R or S.(i f -i r ), con S (1/2)nβφ βφ t 2 S is débilmente dependiente en V G a través de µ y n V φ [ 1 + i 2 + ln( 1 + i 1) ] V P S() t f (r) f (r) Con V P (V G -V T0 )/n W. M. S. Límites propuestos por ACM Límites propuestos por EKV if ACM < 1 1 < if ACM < 100 if ACM > 100 if ACM < < if ACM < 40 if ACM > 40 if EKV < < if EKV < 10 if EKV > 10 F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 29

30 . Modelo ACM Corriente de rain (3) [ 1+ i 2 + ln( 1+ i 1) ] V P VS() φt f (r) f (r) a) weak inversion: i f(r) <<1 if (r) VP VS() φt 1+ ln 2 V V nv V 2 exp( G T0 S 1)[1 exp( S S + )] nφ φ b) strong inversion at source and drain: i f(r) >>1 t t µ nc 2 ox W [ L 2 2 ( V V ) ( V V ) ] P S P c) forward saturation: i f >>i r is (almost) independent of V V nφ c1) weak inversion: 2S exp( + 1) V G T0 F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 30 t nv ox c2) strong inversion ( VG VT0 nvs ) µ C 2n W L S 2 S V G V nφ T0 t nv S 2

31 . Modelo ACM VSAT (1) efinida como el punto donde: Q /Q S ξ, ξ<<1 V Ssat 1 UT ln + 1+ i f 1 UT f ξ ξ [ ] 1+ i + 3 para F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 31

32 . Modelo ACM: VSAT (2) nversión Fuerte (S..) VSSAT (V G -V T ) raíz( ) 0.7 nversión ébil (W..) VS SAT(V) VSSAT 4.U T nversión débil nversión moderada nversión fuerte (A) F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 32

33 . Modelo ACM Resumen Expresiones para: cargas, parámetros de pequeña señal, capacidades intrínsecas Compacto: tres parámetros principales: n, V T0, β Físico Simétrico F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 33

34 . Modelo ACM, simetría en torno a VS 0 (From C. Galup-Montoro, berchip course 2001, Montevideo) C sim ulation : gum m el.nsx ; single ; 10/6/99 ; 9:49:08 SMASH 4.03 ; C analysis ; :\Oscar\sim ul\testes para Tese\Gum m elbsim.nsx ; single ; 10/6/99 ; 10:05: m -200m -16 0m -120m -80 m -40m 0 40m 80 m 120m 16 0m 200m Scalin g: -24 0m -200m -1 60m -120 m -80m -40 m 0 4 0m 80m 120m 16 0m Scaling: / VX / VX 382u 179u 380u 178u 378u 177u 376u 374u 176u 372u 175u 370u 174u 368u 173u 366u 172u 364u 362u 360u 358u V x E 171u 170u 169u ACM V G S E B BSM 3v3 V x C s im ulation: g um m e l.ns x ; s ingle ; 10/6/99 ; 9:52:08 SMASH 4.03 ; C analysis ; :\Oscar\sim ul\testes para Tese\Gum m elbsim.nsx ; single ; 10/6 /99 ; 10 :07: m -200m -160m -12 0m -80m -40m 0 40 m 8 0m 120m 160 m 20 0m Scaling: -2 40m -200m -160 m -1 20m -80m -40 m 0 40m 80m 1 20m 160m 20 0m Scaling: 2 / VX2 350u 2 / VX2 100u 300u 80u 250u 200u 60u 150u 40u 100u 50u 20u u -100 u -20u -150 u -40u -200 u -250 u -60u -300 u -80u -350 u -400 u -100 u F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 34

35 . Efecto modulación largo del canal (Early) V G2 > V G1 Q V G1 pendiente g d V A V A : tensión de Early V SAT V El transistor en saturación no es una fuente de corriente ideal, tiene una conductancia de salida g d ( /V A ) V A L En primera aproximación V A independiente de, en realidad existe dependencia notoria F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 35

36 Agenda. Transistor MOS: Revisión de conceptos básicos.. Transistor MOS: Modelado para diseño ULP.. Transistor MOS: Modelo de pequeña señal. F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 36

37 . Modelo de pequeña señal y baja frecuencia en saturación S gm.vg gms.vs + + S G B B vs G gd vg vd - g m ( / V G ), g ms n.g m, g d ( /V A ) F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 37

38 . Frecuencias medias > capacidades parásitas. S X C gs overlap n+ extrinsic C sb p Si G B C gd overlap n+ extrinsic C db Además capacidades intrínsecas (en la parte interna del transistor). Capacidades intrínsecas dependen del nivel de inversión y son proporcionales a W.L. Capacidades extrínsecas son proporcionales a W. F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 38

39 . Amplificador MOS intrínseco V A (db) A 0 g m /g d vi vo C L f T g m /(2.π.C L ) f(hz) OTA: Operational Transconductance Amplifier g A f T m m 0 gm.ro. VA gd gm 2πC L, g A0 A s.a 1+ 2πf 0 T Consumo: Compromiso velocidad consumo: g m / Resultados similares en amplificadores más complejos F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 39

40 . g m / vs. V G g m 1 V G log( V G ) g m / es la pendiente de la característica vs. V G en escala logarítmica Máximo en W igual a 1/(n.U T ) n tip: 1.3 a 1.5 F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 40

41 . g m / vs. gm/(1/v) gm/c, transistor bipolar Transistor bipolar: g m / C independiente de la corriente en un gran rango (A) A mayor corriente disminuye la eficiencia de generación de g m Para operar a la máxima frecuencia que permite la tecnología > alto g m > alta corriente > inversión fuerte > baja eficiencia Para un transistor (W/L 100) y tecnología (0.8µm) particular. F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 41

42 . g m / y el tamaño del transistor Cuando efectos de canal corto no son significativos: µc ox (W/L).f(V G, V S, V ) gm/(1/v) g m f ( ) norm norm norm norm ( W/ L) µ C i f ox ( W/ L) S /(W/L)(A) m f (, L ) Cuando efectos de canal corto son significativos: norm F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 42 g

43 F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 43. g m / y el modelo ACM f t ox f t i nc L W i n gm φ µ φ + + Modelo ACM, transistor en saturación

44 . Resumen ecuaciones principales f(v G, V S ) g m / V SSAT nversión ébil e 1 n.u T VG nv n.u T S Modelo General V i f P V S S con V g m, U P 1 n.u S T. T [ 1+ i 2 + ln( 1+ i 1) ], V G 1 2 n f V T0 n. β.u 2 1+ i f 2 T, U T V U [ 1+ i 3] Ssat T f + f nversión Fuerte 1 2n V β 1 2 n. β. ( V V ) ( V V n.v ) 2 2. β n. Ssat V V P G sat V V V G V G P P T0 n S 2 V V Ssat V S T0 T0 2 S n. V V + V G S S V n T0 V S F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 44

45 . Metodología de diseño: g m / variable clave [Silveira, Flandre, Jespers, EEE JSSC 1996] V Vi VO 40 A 0 Vi VO CL gm.vi gm 1 gm 1 gm VA f T 2 π CL 2 π CL 0 gd CL esempeño de los circ. g m / gm/ (1/V) weak inv. 1/nUT mod. inv. strong inv /GVO (A) 1.E-12 1.E-10 1.E-08 1.E-06 1.E-04 Modo de operación del trans. imensionado del transistor µc ox (W/L).f(V G, V S, V ) norm µ Cox ( W / L) F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 45 g m f ( norm ) norm ( W / L)

46 gm/: Variable guía iseño Analógico con Transistor Bipolar (BJT): gm c/ut Básicamente 1 grado de libertad: c iseño Analógico MOS: gm f(, W, L) 3 grados de libertad Tradicionalmente: solo parte del espacio de diseño: la región de inversión fuerte (sobre el umbral) F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 46

47 Modelos eep Sub-Micron F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 47

48 . Conclusiones: Modelado Transistor MOS para Bajo Consumo El diseño analógico depende críticamente en las características del dispositivo. El diagrama de Memelink / Jespers es una herramienta muy práctica para el análisis del comportamiento del transistor MOS. Existen aplicaciones en que cada na de consumo cuenta > es vital aprovechar al máximo las posibilidades del dispositivo. La metodología gm/, junto a un modelo adecuado de transistor o medidas, permite explorar el espacio de diseño. F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2012, Córdoba, Argentina 48

49 Muchas Gracias! F. Silveira Univ. de la República, Montevideo, Uruguay EAMTA 2011, Buenos Aires, Argentina 49