Uma ferramenta para o dimensionamento automático de circuitos integrados analógicos considerando análise de produtividade

Abstract

A indústria de microeletrônica tem a sua evolução ditada pela necessidade cada vez maior de integração de circuitos como memórias e processadores, fazendo com que os dispositivos semicondutores sejam cada vez mais miniaturizados. Esta miniaturização implica processos de fabricação cada vez mais complexos, resultando em uma grande variabilidade de parâmetros. O projeto de circuitos analógicos torna-se cada vez mais complexo, pois em geral é altamente suscetível às variações de processo, o que afeta a sua produtividade. Uma das partes mais complexas deste projeto é o dimensionamento dos dispositivos que compõem o circuito, pois o espaço de projeto é altamente não-linear e nem sempre se conhece a localização do seu ponto ótimo. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta para o dimensionamento automático de circuitos integrados analógicos, capaz de lidar com a variabilidade dos parâmetros e visando aumentar a produtividade do circuito gerado. Esta ferramenta baseia-se no dimensionamento do circuito como um problema de otimização baseado em simulação elétrica SPICE. O objetivo principal é receber as especificações requeridas de uma topologia de circuito e, através de técnicas de inteligência artificial, explorar o espaço de soluções em busca de soluções otimizadas que atendam às restrições impostas. Além disso, espera se obter soluções que atendam às especificações requeridas mesmo com variações no processo de fabricação. Para isso, são empregadas técnicas de design centering de modo a maximizar a produtividade do circuito. A ferramenta desenvolvida foi implementada de maneira modular, permitindo que a análise do dimensionamento do circuito possa ser realizada sob diferentes aspectos. Como resultado, este trabalho apresenta duas topologias de amplificadores operacionais automaticamente dimensionadas em tecnologia CMOS, tendo como objetivo a minimização da área de gate e da potência dissipada, além da maximização da produtividade. Os circuitos gerados apresentaram melhor desempenho em comparação com resultados descritos na literatura.

The microelectronics industry has the CMOS technology evolution dictated by the capability of integration of digital circuits such as memories and processors, causing the semiconductor devices miniaturization. The miniaturization leads to complex manufacturing processes with high parameters variation. Analog circuit designs are complex and highly susceptible to process variations, affecting the circuit yield. One of the most complex part of the analog design is the circuit sizing, since the possible solutions have a highly nonlinear design space and the optimal solution is not known. In this context, this work aims at developing a tool for the automatic sizing of analog integrated circuits that is able to deal with parameter variation in order to yield maximization. This tool is based on the circuit sizing as an optimization problem based on electrical SPICE simulations. The main objective is to receive the required specifications of a circuit topology and, by means of artificial intelligence techniques, to explore the design space for optimized solutions that meet the circuit constraints. Furthermore, it is expected to obtain solutions which meet the specifications required even with the presence of variations in the manufacturing process. For this purpose, design centering techniques are implemented for yield maximization. The tool is implemented with modular functions, enabling the sizing process on different configurations. As results, this work present the automatic design of two CMOS operational amplifiers topologies, with the goal to reduce the power dissipation and the gate area and to maximize the yield. The results present good performance when compared to similar designs found in literature.