Automatic design of analog integrated circuits under process parameter variability

Abstract

Os circuitos analógicos integrados possuem uma ampla gama de aplicações e necessitam ser projetados de modo a atender a requisitos conflitantes de desempenho e consumo de energia. O método tradicional de projeto de um circuito analógico é baseado em tentativa e erro. O projetista utiliza sua própria experiência para testar e modificar os parâmetros até encontrar uma solução satisfatória. A análise do desempenho do circuito é feita com o auxílio de simulação elétrica SPICE. Todavia, este processo exige muito tempo de projeto e a simulação SPICE pode demorar um longo tempo. O projetista necessita esperar o fim da simulação para analisar os resultados e, a partir disso, alterar os parâmetros do circuito e fazer outra simulação. Uma alternativa para a automação do projeto é abstrair a tarefa de dimensionamento dos circuitos como problema de otimização. Utilizam-se algoritmos de otimização para explorar o espaço de projeto em busca de uma solução otimizada. O presente trabalho propõe o uso de otimização para o projeto de síntese analógica, com base em um amplificador operacional de transcondutância de ultra baixa tensão alimentado pelo substrato. Trabalhos anteriores já foram realizados com este circuito, porém realizando apenas simulações nominais no circuito. Contudo, somente com análise nominal não é possível determinar o comportamento do circuito sob a influência de variações nos parâmetros do processo de fabricação. No presente trabalho, propomos uma ferramenta para automação do projeto do circuito utilizando a análise de rendimento, isto é, utilizando simulação Monte Carlo para estimar o rendimento do circuito após a fabricação. Além disso, os algoritmos utilizados para a otimização de circuitos possuem variáveis aleatórias (i.e., diferentes execuções podem divergir os resultados conforme a semente da função de geração de números aleatórios, mesmo tendo os mesmos parâmetros). Para prever este comportamento, o objeto de estudo analisa o comportamento de diversas execuções do algoritmo Cuckoo Search. Como resultado, demonstra-se uma análise estatística dos projetos. A partir desta análise, é possível escolher os melhores parâmetros para o algoritmo. Dado os parâmetros, analisou-se o comportamento dos circuitos para pior, mediano e melhor caso das execuções. A ferramenta consegue projetar circuitos analógicos integrados de forma automática, porém não há garantias que ela sempre converge em um resultado viável. Por exemplo, o resultado que o algoritmo converge no pior caso não é viável. Todavia, isso é mitigado com um grande número de execuções ou maior número de iterações no algoritmo. No melhor caso, os resultados do projeto do amplificador projetado com a ferramenta de otimização proposta alcançou melhoria em termos de Potência (8.86nW de média ± 0.22 de desvio padrão em comparação com 18nW em relação ao projetado de forma manual), Margem de fase (59.99 ∘ ± 10.15 em comparação 52.50 ∘ ) e de produto ganho largura de banda (3.81kHz ± 0.65 em comparação 1.88kHz).