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Microelectronics Laboratory Laboratorio di Microelettronica Progettazione di circuiti integrati analogici contatto:Andrea Neviani tel:+39 049 827 7659.

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1 Microelectronics Laboratory Laboratorio di Microelettronica Progettazione di circuiti integrati analogici contatto:Andrea Neviani tel: fax: contatto:Andrea Gerosa tel: fax: contatto:Andrea Bevilacqua tel: fax:

2 Microelectronics Laboratory Circuiti integrati analogici CMOS Perché? perché analogici? –se non si scende a scala atomica, le grandezze fisiche sono analogiche (ampiezza reale, tempo continuo)  c’è sempre bisogno di interfaccie A/D e D/A –se sono richieste prestazioni estreme (alta velocità, bassa potenza) l’approccio analogico è più conveniente perché integrati? –prestazioni, area, affidabilità, immunità ai disturbi –costo inferiore per produzioni su larga scala (  ) perché CMOS? –è necessaria per i circuiti digitali VLSI –un sistema elettronico richiede sia elaborazione analogica che digitale

3 Microelectronics Laboratory Circuiti analogici integrati Peculiarità la geometria dei dispositivi è importante –a livello circuitale: strutture differenziali, specchi di corrente –a livello fisico (layout): scelte geometriche influenzano le prestazioni –a livello di testing: accessibilità dei nodi interni normalmente il sistema è misto analogico-digitale –indicativamente 20% analogico, 80% digitale –la parte analogica richiede l’80% del tempo di progetto –la progettazione analogica si presta poco all’automazione ed è fatta in gran parte a livello di circuitale e di transistor –iterazioni del ciclo di progettazione prima di avere il circuito funzionante: 2-3 per i circuiti analogici, 1 per i circuiti digitali

4 Microelectronics Laboratory Flusso di progettazione analogico 1/2 idea di applicazione –partizionamento in moduli funzionali analogici e digitali –definizione delle specifiche della parte analogica e della parte digitale definizione dell’architettura della parte analogica –scelta dei blocchi analogici (ampl., filtri, conv. A/D e D/A) –simulazioni funzionali (MATLAB, VHDL-AMS) –risultato: specifiche per i singoli blocchi analogici progetto a livello circuitale dei blocchi analogici –scelta della topologia circuitale del blocco –dimensionamento dei componenti e delle polarizzazioni –simulazione a livello di transistor (SPICE, Spectre,...)

5 Microelectronics Laboratory Flusso di progettazione analogico 2/2 progetto a livello fisico (layout) –floorplanning dell’area di silicio a disposizione –definizione geometrica assoluta e relativa dei transistor e dei componenti passivi –realizzazione delle interconnessioni –distribuzione dei clock e delle linee di alimentazione progetto per la verificabilità sperimentale (design for testability) –in un circuito integrato sono accessibili solo i terminali I/O –vanno previsti terminali aggiuntivi per poter osservare nodi interni critici con la minima perturbazione delle prestazioni –strutture di test aggiuntive (copie di blocchi o componenti critici)

6 Microelectronics Laboratory Considerazioni sulla progettazione analogica in generale, la progettazione di un circuito analogico è più complessa di quella di un circuito digitale richiede una conoscenza approfondita della tecnologia del silicio e dei modelli dei dispositivi richiede una conoscenza di base dei circuiti digitali –sono rari i circuiti integrati interamente analogici richiede un utilizzo corretto della simulazione: –la prima fase della progettazione è sempre basata su calcoli manuali, anche se non molto accurati –la simulazione aiuta a scegliere tra diverse soluzioni e a ottimizzare le prestazioni della soluzione prescelta; non trasforma un cattivo circuito in un buon circuito

7 Microelectronics Laboratory Esempio di sistema misto analogico/digitale LNA: Low Noise Amplifier ASP: Analog Signal Processing (filtraggio, equalizzazione, decodifica, demodulazione,...) LNAASP ADC DSP  C  P DAC LPFPA in out ADC, DAC: convertitori A/D e D/A LPF: Low Pass Filter PA: Power Amplifier

8 Microelectronics Laboratory Applicazioni dei circuiti analogici integrati conversione analogico-digitale e digitale- analogica canali di lettura/scrittura per hard disk drives filtraggio di segnali a tempo continuo e a tempo discreto modem codificatori, decodificatori ricevitori a radiofrequenza anelli ad aggancio di fase (PLL, DLL)

9 Microelectronics Laboratory Percorso per una tesi di progettazione integrata Fondamenti di elettronica Elettronica digitale Prog. circ. int. analogici Microelettronica Cir. int. telecom Elettronica analogica Circuiti integrati digitali Lab. Elettronica Digitale  C e DSP Circ. int. eleaborazio- ne segnali Nano elettronica Disp. opto elettronici Qualità e affidabilità

10 Microelectronics Laboratory Full-custom design flow: Cadence Design Framework II Spectre / Hspice sim. Digital design flow: VHDL/Verilog simulation and synthesis (Synopsys) standard cells or FPGA/CPLD implementation Laboratorio di Microelettronica CAD facilities 45 Sun Solaris WS with CAD for IC design (for students and graduation thesis) 6 Linux WS with CAD for IC design (research)

11 Microelectronics Laboratory design of analog and mixed-signal CMOS integrated circuits for biomedical, data storage and wireless applications prototype fabrication through external foundry services prototype testing at Microelectronics laboratory Analog integrated circuit design Introduction

12 Microelectronics Laboratory Ongoing projects: CMOS and SiGe BiCMOS RF receivers for UWB applications Analog turbo decoders for wireless and data storage applications ADC’s for multistandard wireless receivers Completed designs: Low-power, low-voltage circuits for implantable biomedical applications Design of low-voltage, log-domain filters HDD read/write channels Analog integrated circuit design Main projects

13 Microelectronics Laboratory Ultra wideband LNA Bandwidth: 2.3—9.2 GHz Input match: < -10 dB in-band Power gain: 9.3 dB Noise figure: 4 dB IIP3: -6.7 dBm Power: 9 mW Analog integrated circuit design chip designed at UCB in a 0.18  m CMOS technology (supervisor prof. A. Niknejad) chip area (including pads) 1.1 mm 2

14 Microelectronics Laboratory UWB RF front-end Designs in digital 0.13  m CMOS technology: –3 – 5 GHz LNA in digital CMOS 0.13  m successfully tested (results to appear on IEEE Microwave and Wireless Componets Letters) –3 – 8 GHz LNA + notch filter in digital CMOS 0.13  m back from foundry –dual-band VCO in in digital CMOS 0.13  m back from foundry Analog integrated circuit design

15 Microelectronics Laboratory UWB RF front-end Designs in SiGe 0.35  m BiCMOS technology: –3 – 10 GHz LNA + quadrature mixer + notch filter Analog integrated circuit design

16 Microelectronics Laboratory compute the product terms of the sum-product decoding algorithm using analog multipliers –CMOS in weak inversion – current domain Analog turbo decoders

17 Microelectronics Laboratory 40-bit analog turbo decoder for UMTS first example of a real-world decoder Analog integrated circuit design

18 Microelectronics Laboratory 40-bit analog turbo decoder for UMTS – 3M, 2P, 0.35  m CMOS – area (excluding pads): 9 mm 2 (including I/O interface) 4.1 mm 2 (decoder core) – transistor count: 40,000 (I/O interface) 26,000 (decoder core) Analog integrated circuit design – data rate: 2 Mb/s – V DD = 2 V : 7.6 mW (whole chip) 4.1 mW (decoder core) – energy/bit/trellis state: 1.4 nJ

19 Microelectronics Laboratory ADC for multistandard wireless receivers Analog integrated circuit design Motivations –scenario of wireless receivers evolving towards multimode environment –ADC is a critical, power-hungry block  worth studying a solution to minimize the cost of a multistandard implementation Architecture –  is a good candidate: three design parameters (OSR, modulator order, quantization levels) to act on to adjust the DR –different modular structures explored, two actually realized: cascaded  is hybrid 2-1  + 4-bit FLASH –in both cases, two of the three modules of the ADC can be switched on and off, as required by the DR of the target standard

20 Microelectronics Laboratory Targeted standards: GSM, BT, UMTS, WLANa 2P, 4M 0.35  m CMOS technology Test of both prototypes under way Target performance: ADC for multistandard wireless receivers Analog integrated circuit design GSMBTUMTSWLAN OSR Fs (MHz) DR (dB) P (mW)

21 Microelectronics Laboratory fully-floating double-sampling SC integrators high SR, programmable g m OTA ADC for multistandard wireless receivers circuit details

22 Microelectronics Laboratory ADC for multistandard wireless receivers Analog integrated circuit design Chip layout & simulated performance

23 Microelectronics Laboratory Power consumption and device size reduction are highly desirable in pacemakers –full integration in standard CMOS System must be micro-power and moderately low- voltage due to battery constraints –exploit LP and LV design techniques Signal digitization in input stage allows advanced pacing –two-channel fully-integrated A/D interface realized Single chip cardiac pacemaker Analog integrated circuit design

24 Microelectronics Laboratory 2 channels + auxiliary circuits Input signal amplified and filtered –Log-Domain variable-gain filter A/D conversion –8b  converter 2 voltage multipliers integrated on-chip Single chip cardiac pacemaker Analog integrated circuit design

25 Microelectronics Laboratory Single chip cardiac pacemaker Analog integrated circuit design min input signal: 100  V center-band frequency: 100 Hz (atrial), 70 Hz (ventricular) area: 2.2 mm 2 power: 4.8  1.8 V

26 Microelectronics Laboratory 3rd order low-pass Chebychev filter adjustable BW: KHz dynamic range: 51 dB supply voltage: 1.2 V max power consumption: 110  W technology: 2M, 2P, 0.8  m CMOS (V TH =0.8 V) Design of low-voltage, log-domain filters Analog integrated circuit design

27 Microelectronics Laboratory CMOS low-noise preamplifier with programmable gain and bandwidth Switched-current FIR filter for pre-equalization with programmable coefficients High-speed flash ADC CMOS write driver with programmable current pulse Hard disk drive read/write channels Analog integrated circuit design

28 Microelectronics Laboratory Concluding remarks – area of expertise A/D conversion ( , flash, pipeline) –high frequency (HDD, wireless receivers) –low frequency & very low-power (biomedical) analog filters –SC, Log-domain –current-domain approach RF front-end –UWB


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