POLITECNOS8

Diseo de circuitos y sistemas integrados

EDICIONS UPC

Diseo de circuitos y sistemas integrados

Antonio RubioJosep Altet

Xavier AragonsJos Luis Gonzlez

Diego MateoFrancesc Moll

La presente obra fue galardonada en el sptimo concurso"Ajut a l'elaboraci de material docent" convocado por la UPC.

Primera edicin (Politext): septiembre de 2000Primera edicin (Politecnos): febrero de 2003

Diseo de la cubierta: Manuel Andreu

Los autores, 2003

Edicions UPC, 2003Edicions de la Universitat Politcnica de Catalunya, SLJordi Girona Salgado 31, 08034 BarcelonaTel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885Edicions Virtuals: www.edicionsupc.esE-mail: edicions-upc@upc.es

Produccin: El Tinter, SAL (empresa certificada ISO 14001 i EMAS)La Plana 8, 08032 Barcelona

Depsito legal: B-4908-2003ISBN: 84-8301-564-1

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copyright, bajo las san-ciones establecidas en las leyes, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro-cedimiento, comprendidos la reprografa y el tratamiento informtico, y la distribucin de ejemplares deella mediante alquiler o prstamo pblicos.

En este libro se presentan ejemplos y aplicaciones comerciales de la tecnologa CMOS convencional

en forma de circuitos integrados y sistemas en un solo chip. La mayora de estos ejemplos han sido

extrados de la literatura cientfi ca y tcnica ms prestigiosa. Queremos agradecer a los autores de estos

trabajos originales que nos hayan permitido reproducir algunas de sus grfi cas o esquemas para ilustrar

los mencionados ejemplos: Chistoph Kuratli del Systems Laboratory del Swiss Federal Institute of Te-

chnology en Zurich; Jeffrey Jianiunn Ou y Jacques-Christophe Rudell del Departamento de Ingeniera

Electrnica y Arquitectura de Computadoras de la Universidad de California en Berkeley; Thomas B.

Cho de Level1, Bill Bohill de Compaq; Piero Malcovaty del Laboratorio de Microsistemas Integrados

de la Universidad de Pavia; Atil Herms i Sebasti Bota del Departamento de Electrnica de la Univer-

sidad de Barcelona

Agradecimientos

Durante las tres ltimas dcadas, hemos sido testigos de la repercusin que la introduccin de las de-

nominadas nuevas tecnologas ha tenido en los diversos mbitos de la actividad humana. El intenso

avance, durante estos aos, de las tecnologas de la comunicacin, la computacin y la automatizacin

ha alcanzado a muy diversos campos de aplicacin, ms all de lo que era inicialmente pronosticable.

Los procedimientos de la ciencia mdica, el acceso a la informacin en el sentido ms amplio de la

palabra, la instrumentacin en general y la investigacin cientfi ca en sus diversos campos han sufrido

repetidamente alteraciones y mejoras a medida que han ido absorbiendo esa tecnologa. Existe adems

la circunstancia de que, en trminos generales, este avance globalizado est soportado por unos princi-

pios y una tecnologa comunes a todas estas reas. Como principio hay que hacer resaltar los conceptos

de la informacin digital y su procesamiento. En el aspecto tecnolgico son los circuitos electrnicos de

estado slido, y ms concretamente la tecnologa de circuitos integrados, los elementos protagonistas

de este progreso.

La tecnologa de circuitos integrados, basada principalmente en la miniaturizaron de los circuitos, y el

correspondiente incremento de prestaciones y la fuerte reduccin de costes, no slo ha evolucionado

intensamente durante todo este tiempo, sino que existe una consolidada previsin de su evolucin en

un futuro inmediato, que nos llevar a circuitos con centenares y millares de millones de transistores

aptos no slo para unas caractersticas de fl ujo de comunicacin y computacin muy por encima de los

grandes sistemas de hoy en da, sino tambin para aplicaciones insospechadas en un campo abierto a la

imaginacin.

El objetivo de este texto es dar a conocer esta evolucin pasada y futura, sus posibilidades y limitaci-

ones, proporcionar al estudiante una previsin de la tecnologa que estar en el mercado las dos pr-

Prlogo de los autores

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ximas dcadas, as como los elementos motores de la misma. Se contempla un doble marco de anlisis

y diseo y, a partir de una comn tecnologa, la tecnologa CMOS y sus variantes (SOI, BICMOS), se

encuadran las principales secciones analgicas y digitales de los circuitos mixtos y su aplicacin a siste-

mas integrados complejos. Se pone un nfasis especial en divulgar las caractersticas ms relevantes de

los diferentes circuitos que se utilizan para implementar las principales funciones, dando a conocer los

principales hitos y el estado del arte as como las previsibles posibilidades o limitaciones en el futuro.

El texto est pensado para estudiantes que ya han cursado materias bsicas de teora de circuitos, fun-

damentos de tecnologa y dispositivos electrnicos, anlisis y diseo de circuitos analgicos, circuitos

digitales y microprocesadores. Por ello, corresponde a estudios de segundo ciclo, si bien puede ser un

curso introductorio a estudios especializados en ingeniera electrnica o un curso general para entornos

de tecnologas avanzadas para no especialistas en electrnica. El texto incluye una coleccin de proble-

mas clave. Los autores utilizan este texto en el curso Diseo de Circuitos y Sistemas Electrnicos,

asignatura troncal del segundo ciclo de la Ingeniera de Telecomunicacin en la Universidad Politc-

nica de Catalua, con una dedicacin presencial de dos horas a la semana durante un cuatrimestre. La

asignatura contiene un segmento de dos horas semanales de prcticas de laboratorio orientadas a diseo

mixto basado en circuitos programables y ASIC, con un contenido independiente de la teora y de este

propio texto.

Barcelona, 1 de Enero de 2003

Los autores

Im sure one of the most infl uential inventions of the past millennium has been the invention of the

transistor at Bell Laboratories. This marks a major transition in electronics where we moved from

large, hot, fragile active devices (tubes) to small, cool, and robust components in the solid state.

Computers and communication systems both benefi ted when the mechanical switches and tubes were

replaced by transistors. Since then we have witnessed a rapid advancement in the fi eld of electro-

nics into the world of microelectronics. Texas Instrument integrated several components into one

substrate paving the way for integrated circuits. Moores Law indicates that the advancement of the

integration process would quadruple the number of transistors every three years and continuously de-

crease the cost of transistors. The recent SIA roadmap extends Moores law into the next decade. The

SIA predicted operating frequencies and device dimensions are quite astounding. This integration is

improving the reliability of the network, reducing its operating cost and increasing the frequency of

operation. This is fueling the operating rates of microprocessors to extend beyond the GigaHertz ran-

ge. Today, Intel is offering microprocessors with over 40M transistors on a single die and operating

rates of 2 GHz.

To continue to advance Moores law into the next millennium, advances will need to be made at

various levels of the hierarchy. As James Meindl indicates; the top down levels in this hierarchy are

system, circuits, devices, materials and fundamentals. Various levels of power saving, computational

speed, and area will be achieved when the complete integration of all of these components can be

optimized simultaneously. The circuit designer can no longer only be concerned with the circuit or

device level, they must also consider the system and architectural levels as well. The understanding

of the full system fl ow and the constraints on each other in the design of a system will offer benefi ts

to the fi nal product and to the consumer.

Prlogo de Thaddeus Gabara1

1 T. Gabara es Consulting Member of the Technical Staff, High Speed Circuits and Systems Research Dept., Wireless

Research Lab., Bell Laboratories, Murray Hill.

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Various technologies with specifi c advantages over one another are currently being used;

CMOS, BiCMOS, Bipolar, GaAs, InP, etc. These technologies in a variety of circuit confi gurations

achieve faster transfer rates and computational abilities. Although the advancement of the technology

allows more devices to be packed together, new problems become apparent and need to be solved.

CMOS, which was once considered to be low power technology, is now being clocked at such high

processing rates that power dissipation considerations are again becoming a concern. The need to

minimize the generation of heat in integrated circuits is and will continue to be a paramount and im-

portant concern. Adiabatic logic, which specifi cally addresses reducing this heat problem, may offer

a promising solution.

All systems require interconnects. Transistors need to communicate with each other. Gates

within a chip must be interconnected and chips on a print circuit board need a pathway to send and

receive information. These networks can be further interconnected to help form the World Wide Web

(WWW). In all cases these interconnects have limitations. The chip interconnect, typic