Tema 1.4. Diseño de elementos CMOS específicos.

Módulo I Tecnología CMOS
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
Módulo I Tecnología CMOS
„
„
„
Tema 1. Tecnologías de diseño microelectrónico.
microelectrónico.
Tema 2. Diseño digital CMOS.
Tema 3. Diseño físico de circuitos CMOS.
„
Tema 4. Diseño de elementos CMOS
específicos.
„
Tema 5. Cables.
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
„
„
1.1.- Circuitos analógicos básicos: capacidad, capacidad de paso,
resistencia, buffer.
2.2.- Circuitos específicos:
– líneas de retardo,
– osciladores controlados por voltaje,
– comparadores de fase,
– PLL,
– DLL.
– Estructuras de E/S:
„
„
„
„
„
„
puertos de alimentación y tierra,
puertos de entrada,
puertos de salida,
puertos bidireccionales
puertos triestado,
puertos especiales.
Introducción
„
„
„
„
Ley de Ohm V = I x R
Sólo para cargas resistivas.
resistivas.
En general: V = I x Z
Z: impedancia de la carga
Capacitor:
Capacitor: es un dispositivo que almacena energía en presencia
de un campo eléctrico y trata de mantener constante el voltaje
entre sus terminales.
La impedancia de un capacitor es Z c = 1/ j.ω
j.ω.C ( ω = 2 π f)
– Para altas frecuencias (ω
(ω = grande)
grande) la señal pasa fácilmente (baja
impedancia)
– Para bajas frecuencias (ω
(ω = pequeño)
pequeño) la señal pasa con dificultad (alta
impedancia)
– Para D.C. ( ω = 0) la señal se bloquea (impedancia infinita para continua)
Vin
C=
Q
∆V
R
Vout
C
Filtro paso baja
Vin
C
Vout
R
Filtro paso alta
Introducción
„
„
„
Inductore
Inductores
Es un dispositivo que trata de mantener constante un flujo de
corriente a través de sí mismo, y es capaz de almacenar energía
en presencia de un campo magnético
Muchas componentes eléctricas son inductivas:
– motore
motores
– transformadores
transformadores
– puertos de E/S
„
La impedancia de un inductor viene dada por:
por:
„
Z L = j .ω
.ω .L
– Para D.
D. C. es 0
– Se incrementa con la frecuencia
„
Todos los elementos de un circuito (cables) tienen una inductancia
inductancia
inherente
Introducción
Resumen:
Dominio del tiempo
dvC (t ) 1
= ic (t )
dt
C
diL(t )
vL(t ) = L
dt
vR (t ) = iR (t ) * R
Dominio de la frecuencia
1
v ( 0)
Ic( s) +
Cs
s
VL ( s ) = L( sIL ( s ) − i (0))
VR ( s ) = IR ( s ) * R
Vc( s ) =
S=jw
Impedancia
1
jwC
ZL = jwL
ZC =
ZR = R
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
„
1.1.- Circuitos analógicos básicos: capacidad, capacidad de paso,
„
2.2.- Circuitos específicos:
– líneas de retardo,
– osciladores controlados por voltaje,
– comparadores de fase,
– PLL,
– DLL.
– Estructuras de E/S:
resistencia, buffer.
„
„
„
„
„
„
puertos de alimentación y tierra,
puertos de entrada,
puertos de salida,
puertos bidireccionales
puertos triestado,
puertos especiales.
4.1 Circuitos analógicos básicos
Capacidades
„
„
„
Necesarias en circuitos analógicos (capacitores
(capacitores de conmutación) y celdas de
memoria
Pueden usarse capacitores de polisilicio (2 layers de polisilicio y oxido en
medio)
En ocasiones se utilizan estructuras 3D para incrementar la capacidad
capacidad por área
Layer de interconexión
fF/
fF/µm2
Polisilicio a substrato
0.058±
0.058±0.004
Metal 1 a substrato
0.031±
0.031±0.001
Metal 2 a substrato
0.015±
0.015±0.001
Metal 3 a substrato
0.010±
0.010±0.001
Difusión n+ a substrato
0.36±
0.36±0.02
Difusión p+ a substrato
0.46±
0.46±0.06
φ
D
φ
Q
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
„
„
También puede utilizarse la
capacidad de puerta de los
transistores.
Se descompone en tres
porciones:
– CGB (entre puerta y
substrato),
– CGS (puerta y fuente),
– CGD (puerta y drenador).
drenador).
No son lineales y son función de
la región de trabajo y de la
superficie del canal.
Descripción
C
MOS OnOn-chip (0.35*114µ
(0.35*114µm)
250fF
MOS OnOn-chip (1.4*114µ
(1.4*114µm)
1pF
SMT Cerámica
1nF
SMT Cerámica
10nF
Disco de cerámica
10nF
Electrolítico de aluminio
10 µ F
Electrolítico de aluminio
1000 µF
4.1 Circuitos analógicos básicos
Capacidades de paso
„
„
Los capacitores de paso son elementos clave de un sistema de distribución de
alimentación a todos los niveles (sistema, panel, tarjeta, paquete,
paquete, chip)
En cada nivel los condensadores deben dimensionarse para aportar los picos
de corriente que pueden producirse en un ciclo
– En cada ciclo se consume una cierta cantidad de intensidad debida
debida a las
conmutaciones de los FF
Qck = IAVG * tck
– En ciertos momentos puede haber una demanda mayor de intensidad que
puede provocar una caída del potencial del circuito
Q max = Qck * ki
CB ≥
Qck *ki
∆V
0.25⟨ ki ⟨ 0.5
„Si existen elementos inductivos L la
dimensión del capacitor debe calcularse
para evitar oscilaciones y la ecuación que
nos queda es:
CB
 I
> L
 ∆V
AVG
max



2
+ Ki
IAVGtCK
∆V max
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Circuito equivalente de un condensador de paso
– LC inductancia parásita
– Rs resistencia serie efectiva
ZC = jwLC + Rs +
1
1
= Rs + j ( wLC −
)
jwC
wC
„Los componentes capacitivo e inductivo de la
impedancia se cancelan en:
fLC =
1
2π LC
„Si la Rs es bastante grande para moderar el
circuito LC hay dos puntos de ruptura
fRC =
1
2πRSC
fLR =
Rs
2πL
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Por encima de fRC y fLC la impedancia del capacitor se encuentra dominada por
la inductancia o por la resistencia, y el capacitor pierde su efectividad
„
a.a.- Capacitor electrolítico C=10µ
C=10µF
„LC=10nH
„Rs=1Ω
Rs=1Ω
fRc=160kΩ
fLR=16MΩ
No se usa por encima de 100KHz
b.b.- Disco de cerámica C=10nF
LC=5nH
Rs=0.1Ω
Rs=0.1Ω
fLc=23MΩ
Para esta frecuencia actúa como R=0.1 Ω
Puede utilizarse hasta 10MHz
4.1 Circuitos analógicos básicos
„El tipo de capacitor en cada nivel debe seleccionarse para que tenga un ancho de
banda adecuada a las variaciones de corriente esperadas
„
„
„
Una red de distribución de alimentación utiliza una jerarquía de capacitores
En cada nivel de jerarquía los condensadores filtran una banda de
de frecuencia de
corrientes transitorias
Dentro de un CI tr es del orden de 200ps (fs=800MHz
(fs=800MHz))
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Resistencias
– Polisilicio
„
„
„
es altamente resistivo
Produce resistencias lineales
Difícil de controlar (la resistencia
absoluta puede variar en un factor 2:1)
– Difusión o nn-well
„
„
Son lineales
Presentan gran capacidad de unión
– Transistores FET
„
„
„
No son lineales
Permiten gran compactación y fácil
conexión entre componentes
Facilitan la digitalización
Metal1
/metal2
Max
Min Typ
Ω/sq Ω/sq Ω/sq
0.05 0.07 0.1
metal3
0.03
0.04
0.05
poli
15
20
30
silicio
2
3
6
Difusión
(n+, p+)
10
25
100
nwell
1K
2K
5K
4.1 Circuitos analógicos básicos
VDD
Trabaja en la zona lineal VGS - VT<VDS
IDS = -βp [ {VGS - VTp} VDS - (VDS)2 / 2 ]
βp=KpW/L
Kp=µCox
La relación IDS / VDS es casi lineal para pequeños VDS
ROP=1/ βp {VGS - VTp}
ROp =
L
1
W µCox( VGS − VTP )
La resistencia obtenida puede llegar fácilmente a 100KΩ. La
misma resistencia en polisilicio requeriría mucha más área
•La componente cuadrática se hace importante para VDS>1
4.1 Circuitos analógicos básicos
4.1 Circuitos analógicos básicos
Utilizando otro FET conectado como diodo se extiende la zona lineal
VDD
ITRIODO ≅ Ilineal= -βp [ {VGS - VTp} VDS - (VDS)2 / 2 ]
IDIODO ≅ Isat= -βp [ (VGS – VTp)2 / 2 ]
ITRIODO ≅ -βp [ {-Vdd - VTp} VDS - (VDS)2 / 2 ]
IDIODO ≅ -βp [ (VDS – VTp)2 / 2 ]= -βp [ (VDS )2 / 2+( VTp)2 / 2- VDS VTp]
I= ITRIODO+ IDIODO ≅ -βp [ {-Vdd - VTp} VDS + (VTn)2 / 2 - VDS VTp]
Con la aproximaciones se obtiene una ecuación lineal
4.1 Circuitos analógicos básicos
La curva punteada muestra el comportamiento de un resistor lineal perfecto
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Cuando el voltaje de los dos terminales puede variar sobre un amplio
amplio
rango, se suele emplear un resistor como puerta de paso
vin
Cuando el voltaje de los terminales vin y vout sube, se reduce
la conductancia del NFET, mientras que la del PFET se
incrementa.
Suponiendo que ambos están en zona lineal puede
aproximarse por
RONP ≅ 1/(βp ( |VGSp | - | VTp |) )
RONN ≅ 1/(βn ( VGSn - VTn))
Dimensionando los dispositivos de forma correcta, el efecto
global se cancela, y la resistencia total es casi lineal
vout
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Cuando se necesita una resistencia muy precisa, cualquiera de los
los
circuitos anteriores puede digitalizarse
¾Los valores digitales de las líneas r0 a r3 seleccionan el subconjunto de
transistores m0-m3 que conducen.
¾Según las dimensiones de los transistores puede conseguirse un rango
más o menos amplio o preciso de resistencias.
r3
m3
r2
m2
r1
m1
r0
m0
m4
4.1 Circuitos analógicos básicos
„Buffers
Para procesos no submicrónico
Se utilizan para atacar grandes grandes
1
1 CLVDD CLVDD
capacidades
tp = (tpHL + tpLH ) = (
+
)
2
2 Idssn
Idssp
Puede utilizarse un simple inversor (bufferinversor) con una resistencia de canal muy
CLVDD
Ln 
 Lp
+
tp =

pequeña (W grande)
2
W
p
k
p
W
nkn 

2 (VDD −VT )
Al aumentar W se disminuye la resistencia de
k = µCox
canal, pero se aumenta la capacidad de puerta y el
retardo de la etapa anterior
Sin buffer
CL
2/α
2/ α u
tp = tpinv =
tp 0
C min
Con
buffer
Cin 2/2
CL
2/2u
tp 0 =
C min VDD
1
2
kn
(VDD −VT )
tp = tpinv + tpbuf = utp 0 +
Para procesos submicrónicos el razonamiento es
idéntico con una Idss diferente
CL / C min
CL / C min
)
tp 0 = tp 0(u +
u
u
uopt =
CL
C min
4.1 Circuitos analógicos básicos
Sin buffer
tp = tpinv =
Con buffer
CL
tp 0
C min
uopt =
tp = tpinv + tpbuf = utp 0 +
CL
C min
CL / C min
CL / C min
tp 0 = tp 0(u +
)
u
u
tp = tp 0( CL / C min +
CL / C min
) = 2tp0 CL / C min
CL / C min
Merece la pena insertar un buffer cuando
CL / C min > 2 CL / C min
CL / C min > 4
Interesa poner un buffer siempre que la
carga capacitiva sea superior a 4Cmin, es
decir, cuando el número de puertas
conectadas sea mayor que 4.
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Los bufferes son elementos con grandes capacidades de
entrada
VDD
C min = 3Cg
Supongamos CL=200Cg
uopt =
2/4u
CL
200Cg
=
≈8
C min
3Cg
Vout
Vin
Cin=(3u)Cg
2/2u
CL
Para grandes cargas se necesitan
bufferes de gran tamaño con Cin
demasiado grandes
4.1 Circuitos analógicos básicos
Supper-buffers
Se utilizan para atacar capacidades muy grandes, como por ejemplo
capacidades externas que pueden ser 1000 veces mayor que una capacidad
de puerta mínima
CL
Sin buffer
tp =
tp 0 = 1000tp 0
C min
Con un buffer
tp = 2tp 0 CL / C min = 2tp0 1000 ≈ 64tp 0
Con N bufferes
Cin
2/4
2/4f
2/4f2
2/4f3
2/4f4
2/2
2/2f
2/2f2
2/2f3
2/2f4
CL
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Supongamos la etapa i
Cin
2/4
2/4fi-1
2/4fi
2/4fi+1
2/4fN-1
2/2
2/2fi-1
2/2fi
2/2fi+1
2/2fN-1
Suponiendo que la capacidad de cada inversor se escala linealmente con su
tamaño
CLi = f i+1C min
W 
i
  = f
 L i
tpbufi =
CLi / C min
f i+1
tp 0 = tp 0( i ) = tp 0 f
u
f
Todas las etapas (excepto la última) tienen el mismo retardo f*tp0
Para conseguir el mismo retardo en la última etapa debe cumplirse que
CL = f N C min
4.1 Circuitos analógicos básicos
CL = f N C min
El retardo total viene dado por
tp = N * f * tp0
donde
fopt = e
topt = eLn(CL/Cin)tp0
En realidad f puede ser 2 o 3 y
N puede tomarse por arriba o
por debajo de
Ln(CL/Cmin)/Lnf
N=
Ln(CL
C min)
Lnf
Los resultados son pesimistas
puesto que la capacidad no
aumenta linealmente al hacer
más ancho el canal, debido a
las capacidades de difusión de
los transistores
CL
4.1 Circuitos analógicos básicos
„
Variación de tp/tp0
tp/tp0 en función de f para distintos valores de x=CL/Cmin
f/Lnf
u/ln(u)
60.0
40.0
x=10,000
x=1000
20.0
x=100
x=10
0.0
1.0
3.0
fu
5.0
7.0
4.1 Circuitos analógicos básicos
4.1 Circuitos analógicos básicos
VDD
Buffers triestado
Sirven para conectar las salidas de varias
puertas a un bus
En cada instante, todos los buffers
menos uno deben tener su salida en alta
V DD
impedancia
En
Out
In
En
En
Out
Esta otra implementación tiene menos
transistores en serie, y por tanto es más
apropiada para atacar grandes capacidades
En
In
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
„
„
1.1.- Circuitos analógicos básicos: capacidad, resistencia, capacidad de
paso, buffer.
2.2.- Circuitos específicos:
–
–
–
–
–
–
líneas de retardo,
retardo,
osciladores controlados por voltaje,
comparadores de fase,
PLL,
DLL.
Estructuras de E/S:
„
„
„
„
„
„
puertos de alimentación y tierra,
puertos de entrada,
puertos de salida,
puertos bidireccionales
puertos triestado,
puertos especiales.
4.2 Circuitos específicos
„
Líneas de retardo
Se trata de elementos que permiten ajustar los flancos de reloj
Modelo digital basado en inversores
Problemas del modelo:
1.- Rango amplio y ajuste fino son objetivos mutuamente incompatibles.
2.- El retardo mínimo depende de la tecnología
3.- Necesidad de un sistema de control digital
Los sistemas de control analógicos suelen
ser mas compactos, eficientes y precisos
4.2 Circuitos específicos
„
„
Solución: utilizar un elemento de retardo con una entrada de control
control
analógica.
El elemento de una línea de retardo es una fuente de corriente FET
FET que
carga una capacidad de puerta FET
Controlamos la intensidad de la corriente de carga
O bien controlamos la capacidad de carga
4.2 Circuitos específicos
„
Rango de ajuste de retardo para los dos casos anteriores
(W/L)p=2 (W/L) n=5.6µm/0.35 µm
K=10
El retardo que se muestra es el de un par de etapas
Las líneas punteadas representan la simulación para las
condiciones peor y mejor
4.2 Circuitos específicos
Sensibilidad (Sv): es el cambio en el retardo ocasionado por un cambio en
el voltaje de alimentación
„
Problema: gran sensibilidad al ruido en la fuente
Elemento de carga controlada
Elemento de corriente controlada
Retardo de un par de etapas
tinv ≈
VDD
VDD
1
≈
≈
Idss (VDD −VT )2 VDD
tinv ≈
VDD
VDD
≈
≈ VDD
IDS
f (VCN )
4.2 Circuitos específicos
„
Solución: utilizar la línea de retardo basada en inversores
con una fuente de voltaje regulada
Filtro paso baja
(elimina ruido de alta
frecuencia)
v2
v1
+
-
v0
vo ≈ Ad (v 2 − v1)
4.2 Circuitos específicos
„
„
Otra solución: utilizar como elemento de retardo básico un diferencial.
diferencial.
Las estructuras diferenciales amplifican la diferencia entre 2 voltajes
voltajes y
tienen inherentemente mejor eliminación de ruido
Cada par de señales varían
entre VDD y VLO=IT*R
IT está determinada por Vbn
El retardo es ~ a R
Variaciones en el voltaje de
alimentación cambian sólo
el voltaje del modo común
Método de control
analógico: utilizar una
resistencia ajustable
implementada con PFET
4.2 Circuitos específicos
„
En la figura se muestra un resistor controlado por voltaje y
las corrientes asociadas
Si Vload se limita entre Vc y 0, la característica es aprox. Lineal y la
resistencia viene determinada por Vc.
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
„
„
1.1.- Circuitos analógicos básicos: capacidad, capacidad de paso, resistencia,
resistencia,
buffer.
2.2.- Circuitos específicos:
– líneas de retardo,
– osciladores controlados por voltaje,
– comparadores de fase,
– PLL,
– DLL.
– Estructuras de E/S:
„
„
„
„
„
„
puertos de alimentación y tierra,
puertos de entrada,
puertos de salida,
puertos bidireccionales
puertos triestado,
puertos especiales.
4.2 Circuitos específicos
„
Oscilador controlado por voltaje:
voltaje: se clasifican según la
ecuación diferencial que describe su comportamiento
– Osciladores de primer orden:
orden: generan una señal cuyo periodo se
determina por el tiempo de carga de una capacidad
La frecuencia del oscilador puede
cambiarse variando las fuentes de
corriente.
Si ambas fuentes son iguales:
T=
2C (VHI − VLO )
I
Puede realizarse un diseño más simple con un único comparador y un
voltaje umbral
4.2 Circuitos específicos
„
En los diseños modernos suelen utilizarse osciladores en anillo
formados por elementos de retardo controlados por voltaje
Es análogo al oscilador de 1er orden:
•
El capacitor y la corriente de carga se implementa
directamente en los elementos de retardo
•
La función de memoria está implícita en el
retardo a través de la cadena de etapas
•
El cambio está implícito en la inversión alrededor
del lazo
F=
1
N (TDH + TDL )
4.2 Circuitos específicos
– Osciladores de segundo orden: son circuitos LRC
Son útiles en aplicaciones que requieren una señal periódica con muy
poco ruido de fase.
Problema: no se puede variar la frecuencia sobre un rango amplio
Cuarzo o cerámica
Osciladores de cristal:
utilizan un cristal piezoeléctrico
como elemento mecánico análogo a
un circuito resonante LRC
El cristal piezoeléctrico es
equivalente a un circuito serie LRC
La frecuencia de vibración depende
de las dimensiones del cristal
Zc = − ZR
ZR = R +
Wr =
1
+ jwL
jWC
1
LC
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
„
„
1.1.- Circuitos analógicos básicos: capacidad, capacidad de paso, resistencia,
resistencia,
buffer.
2.2.- Circuitos específicos:
– líneas de retardo,
– osciladores controlados por voltaje,
– comparadores de fase,
–
–
–
PLL,
DLL.
Estructuras de E/S:
„
„
„
„
„
„
puertos de alimentación y tierra,
puertos de entrada,
puertos de salida,
puertos bidireccionales
puertos triestado,
puertos especiales.
4.2 Circuitos específicos
„
„
Comparadores de fase: miden el retardo relativo o
fase entre 2 señ
señales
Son necesarios para generar la señ
señal de control Vc que
selecciona un determinado retardo en la lí
línea de retardo
Modelo ideal
φAB=2π(tA-tB)/tciclo
4.2 Circuitos específicos
En la práctica no es posible construir un comparador ideal. Los
comparadores reales introducen offset y retardo
Necesitan transiciones en sus entradas. Operan sobre un rango de fase
Tienen ganancia no lineal
Rango lineal: relación lineal fase-voltaje
Rango de bloqueo: rango sobre el cual la salida tiene la polaridad adecuada
4.2 Circuitos específicos
Comparador de fase XOR
Φ≅0
Φ ≅ π/2
Φ≅π
La salida V es una versión filtrada de Q (se eliminan las altas frecuencias)
Amplio rango lineal centrado en π/2
Sólo funciona con
señales periódicas
4.2 Circuitos específicos
„
„
„
•
Un lazo de control que utiliza un detector de fase XOR referencia la salida a Vdd/2 y
bloquea la diferencia de fase a π/2 (se dice que las señales están en cuadratura).
Sólo son adecuados en lazos temporales que requieren estabilizar la diferencia de fase
en π/2
Si el factor “duty” es distinto del 50% se puede pasar la señal de entrada a través de un
biestable T (divisor de frecuencia). El problema es que se aumenta el tiempo de
respuesta del lazo de control
Si se utiliza en un PLL y las señales de entradas tienen frecuencias muy diferentes, la
salida de la XOR promedia muy cerca de su punto medio. Por esta razón la
convergencia del lazo es muy lenta, y se suele utiliza un detector de frecuencia auxiliar
4.2 Circuitos específicos
Comparador de fase FF
Tiene dos estados y un rango de ±π
alrededor del punto de bloqueo
Alta ganancia
Tp: periodo reloj
Ta: tiempo apertura
Si B se adelanta respecto de A la salida es 1
Si B se retrasa respecto de A la salida es 0
El FF muestrea el
estado de la señal B en
los flancos de subida de
la señal A
No es un detector proporcional ni simétrico, por eso
suelen utilizarse dos detectores de fase con las
funciones de señal muestreada y de muestreo
intercambiadas, y se restan sus salidas.
Puede haber falso bloqueo cuando las entradas están
relacionadas armónicamente.
La adición de un 3er estado aumenta el rango de detección y elimina el faso bloqueo
4.2 Circuitos específicos
Comparador de fase secuencial
„Si A encabeza a B,
Up está a 1 un tiempo
proporcional a la
diferencia de fase
entre A y B
„La salida Dn produce
un pulso breve cuya
duración es la suma
del retardo a través de
la puerta AND y el
retardo del reset de los
FF
„Si B adelanta a A las
reglas de Up y Dn se
invierten
4.2 Circuitos específicos
„
La adición del tercer estado permite un rango de detección más amplio
amplio
Un ángulo mayor que
2π se sigue
interpretando como +
De esta forma puede utilizarse como detector de frecuencia
Es muy útil incluso cuando las
frecuencias de ambas señales es
muy diferente
En ocasiones se denomina
detector de fase y frecuencia
(PFD)
4.2 Circuitos específicos
„
Comparadores de frecuencia y fase secuenciales
Máquina de estados asíncrona
Contador mod 3 de
transiciones
Entradas a,b
Salidas A,B
Estados de cuenta (b, n, a)
Estado a A=1 hay más transiciones en a
Estado b B=1 hay más transiciones en b
A-B sirve como salida de control
con rango lineal 4π
centrado en 0
El signo de AA-B indica cuál tiene mayor frecuencia
El tiempo que A ó B están a 1 indica qué señal se adelanta
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
„
„
1.1.- Circuitos analógicos básicos: capacidad, capacidad de paso, resistencia,
resistencia,
buffer.
2.2.- Circuitos específicos:
– líneas de retardo,
– osciladores controlados por voltaje,
– comparadores de fase,
– PLL,
– DLL.
DLL.
– Estructuras de E/S:
„
„
„
„
„
„
puertos de alimentación y tierra,
puertos de entrada,
puertos de salida,
puertos bidireccionales
puertos triestado,
puertos especiales.
4.2 Circuitos específicos
PLL (Phase- Loocked Loop) - DLL (Delay Locked Loop)
Oscilador controlado por voltaje
En los casos donde el reloj de referencia D sea muy inestable o no pueda
utilizarse, hay que usar un PLL que genere el reloj local
El VCO toma una entrada de control Vf y genera una señal periódica de frecuencia
f=fc+kfVf
Se suele diseñar con una kf lo más pequeña posible que permita generar el rango
de frecuencias deseado
4.2 Circuitos específicos
„
Alineadores de reloj
4.2 Circuitos específicos
PLL
Si el detector de fase proporciona VDD/2 en el punto de bloqueo este PLL
produce un desfase en la salida. Para solucionar esto se puede utilizar un filtro
RC activo
El filtro RC activo se suele
utilizar en implementación de
PLL de componentes discretas
4.2 Circuitos específicos
Filtros de carga
Lazo de 100 MHz inicializado a 170MHz
Comparador de frecuencias
Un contador de transiciones da
el signo de la diferencia de
frecuencias, lo cual asegura que
VCO se dirige en la dirección
adecuada
4.2 Circuitos específicos
DLL con circuito digital de inicialización
•Se trata de ajustar el retardo de forma que TD+TB=N*Tclk
•Cuando Reset=1 se inicializa el circuito de control digital que selecciona el
número de elementos de retardo necesarios (bloqueo grueso)
•Como TB varia con T y VDD, el lazo de control analógico ajusta TD en función
de dichas variaciones (ajuste fino)
Tema 4 Diseño de elementos CMOS
específicos
„
„
1.1.- Circuitos analógicos básicos: capacidad, capacidad de paso, resistencia,
resistencia,
buffer.
2.2.- Circuitos específicos:
– líneas de retardo,
– osciladores controlados por voltaje,
– comparadores de fase,
– PLL,
– DLL.
– Estructuras de E/S:
„
„
„
„
„
puertos de alimentación y tierra,
puertos de salida,
puertos de entrada
puertos bidireccionales
puertos triestado .
4.2 Circuitos específicos
„
Organización global
– El tamaño de un pad se define como el tamaño mínimo para que un cable
se pueda conectar (100(100-150µ
150µm2)
– El espacio entre pads se define como la mí
mínima distancia que deben tener
dos pads para que puedan realizarse las conexiones (150(150-200µ
200µm)
Substrato
Dado
Pad
armazón
4.2 Circuitos específicos
Mayor nº de pads
Colocación de los pads
sobre la superficie del CI
Limitado por pads
Limitado por core
4.2 Circuitos específicos
Conexión mediante cables
Conexión de chip invertido
Cable
Dado
Chip
L
Bolas de soldadura
Cavidad
Montaje
L’
Armazón
Pin
Layers
Interconexión
Sustrato
4.2 Circuitos específicos
Distintos tipos de empaquetamiento
4.2 Circuitos específicos
Pad
100 µm
„
Puertos de alimentación y tierra
„
Son los más sencillos y consisten en un
sandwich de layers de metal conectados
al bus
4.2 Circuitos específicos
Pads de Entrada/Salida
Se necesita colocar un buffer grande para disminuir la resistencia de carga
¿Cómo diseñar transistores grandes?
VDD
Drenador
S
Contactos
Multiples
Vin
Vin
Vin
D
G
Vin
Vout
Fuente
S
Puerta
(a) Transistores en paralelo
(b) Transistores circulares
4.2 Circuitos específicos
Pad
GND
100 µm
Out
VDD
In
GND
Out
4.2 Circuitos específicos
Diferentes estructuras de PADs
El voltaje inferior (Vss) debe
colocarse en la pista exterior
4.2 Circuitos específicos
Pads de entrada
Diodos de corte
4.2 Circuitos
específicos
Pads bidireccionales y triestados