Herramienta para el modelado automático de transistores MOSFET en tecnologías submicrométricas con funciones compatibles con programación geométrica
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2022
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Resumen
La microelectrónica ha tenido un crecimiento importante en los últimos años y presenta tendencias de incluir dentro de un circuito integrado CI o en un microchip circuitos electrónicos de alta complejidad que incluye tanto circuitos digitales como circuitos analógicos en una estructura compacta de pequeñas dimensiones sobre un material semiconductor. Sin embargo, el diseño de circuitos analógicos representa el asunto crítico de diseño del CI por su nivel de complejidad. La programación geométrica es un tipo de optimización matemática que a través de transformaciones de variables puede ser descrito como un problema de optimización convexa. Diversos trabajos han demostrado que el diseño de bloques circuitales analógicos puede ser descrito como un problema de programación geométrica y, por tanto, el problema de diseño puede ser resuelto en cuestión de segundos y con la solución óptima global. Uno de los principales inconvenientes de la metodología es que los modelos industriales usados para describir el comportamiento de los transistores no son compatibles con la forma estándar de un programa geométrico. Es por esto, que en el presente proyecto se diseña una herramienta para el modelado de transistores MOS utilizando expresiones aptas para programación geométrica con el fin de automatizar, optimizar y mejorar activamente el proceso de diseño de circuitos integrados y con ello, representar con precisión el comportamiento del principal elemento activos que lo compone: el transistor MOS. Con la generación de los modelos aptos para programación geométrica que genera la herramienta, lo cuales, presentan errores menores al 10% en sus modelos más completos, el diseñador logra reducir considerablemente el tiempo de diseño, además de obtener una mejor calidad en el mismo dado que si los elementos activos de lo que se compone un circuito integrado poseen buenas aproximaciones en sus modelos, el diseño global mejora notablemente. Finalmente, al ser modelos compatibles con programación geométrica, pueden ser utilizados dentro de un PG, que permita obtener el óptimo global de un circuito en menos de 30 segundos. Este proyecto estudia las etapas para la generación de modelos aptos para programación geométrica para los parámetros de comportamiento de un transistor, analiza su grado de aproximación y utiliza los modelos obtenidos en un diseño de amplificador operacional de dos etapas con el fin de evidenciar la utilidad de los mismos.
Descripción
Abstract
Microelectronics has experienced significant growth in recent years and there is a tendency to include high-complexity electronic circuits, including both digital and analogue circuits in a compact structure of small dimensions on a semiconductor material, within an IC integrated circuit or microchip. However, the design of analog circuits represents the critical issue of IC design due to its level of complexity. Geometric programming is a type of mathematical optimization that through variable transformations can be described as a convex optimization problem. Several studies have shown that the design of analog circuit blocks can be described as a geometric programming problem and, therefore, the design problem can be solved within seconds and with the overall optimal solution. One of the main drawbacks of the methodology is that the industrial models used to describe the behavior of transistors are not compatible with the standard shape of a geometric program. For this reason, in this project a tool is designed for modelling MOS transistors using expressions suitable for geometric programming in order to automate, optimize and actively improve the process of designing integrated circuits and thereby accurately represent the behavior of the main active element that composes them: the MOS transistor. With the generation of models suitable for geometric programming generated by the tool, which have errors of less than 10% in the most complete models, the designer manages to significantly reduce the design time, in addition to obtaining a better quality in the same since if the active elements of what is made up of an integrated circuit have good approximations in their models, the overall design improves considerably. Finally, since they are models compatible with geometric programming, they can be used inside a PG, which allows to obtain the overall optimum of a circuit in less than 30 seconds. This project studies the stages for the generation of models suitable for geometric programming for the behavioral parameters of a transistor, analyzes their degree of approximation and uses the models obtained in a two-stage operational amplifier design in order to demonstrate their usefulness.
Palabras clave
Transistor, Programación geométrica, Modelos, MOSFET, Automatización, Optimización, Diseño, Circuitos integrados
Keywords
Transistor, Geometric programming, Models, MOSFET, Automation, Optimization, Design, Integrated Circuits