Projeto de um decodificador 4X16 bits utilizando tecnologia Complementary Metal-Oxide Semiconductor de 0,25 µm e metodologia Standard Cell

Transcrição

1 Projeto de um decodificador 4X16 bits utilizando tecnologia Complementary Metal-Oxide Semiconductor de 0,25 µm e metodologia Standard Cell Carlos Alexandre Silva dos Santos 1 ; Alian Moreira Engroff 2 1 Docente na Universidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões URI Santiago, Mestrando no PPG Engenharia Elétrica, UNIPAMPA, carlos.al.silva@live.com 2 Mestrando PPG Engenharia Elétrica, UNIPAMPA, alian.engroff@gmail.com Resumo Este artigo apresenta um projeto completo de um circuito integrado digital de um decodificador 4X16 bits, cujo objetivo é propor este CI com tecnologia de 0,25 µm CMOS e com o menor número possível de transistores. O trabalho visa também descrever os principais passos para a elaboração de um circuito eletrônico integrado, descrevendo as vantagens da tecnologia CMOS que é amplamente utilizada em dispositivos eletrônicos, servindo de embasamento para desenvolvimento de novos CIs com essa tecnologia. Nesse contexto, é utilizada a metodologia standard cell na qual são apresentadas todas as fases de projeto, passando pelos níveis conceitual, lógico, de transistores e de layout. Em cada fase são apresentadas as simulações elétricas com o intuito de validar o circuito integrado proposto. Como resultado foi apresentado um projeto completo de decodificador 4X16 totalmente funcional e com apenas 104 transistores. Palavras chave: Circuito Eletrônico Integrado. Decodificador 4X16. Complementary Metal-Oxide Semiconductor. 140

2 Project of decoder 4X16 bit using Complementary Metal-Oxide Semiconductor technology of 0.25 µm and Standard Cell methodology Abstract This paper presents a complete design of a digital integrated circuit of a 4X16 -bit decoder, which aims to propose this IC with ,25 µm CMOS technology and with the lowest possible number of transistors. The work also aims to describe the key steps in the development of an integrated electronic circuit, describing the advantages of CMOS technology that is widely used in electronic devices, serving as a basis for developing new ICs with this technology. In this context, the paper presents use the standard cell methodology in which contains all Project through the conceptual, logic, transistors and layout levels. In each phase was made electrical simulations in order to validate the proposed integrated circuit. As a result was presented a 4X16 decoder complete project fully functional with only 104 transistors. Keywords: Integrated Circuit Electronic. Decoder 4X16. Complementary Metal - Oxide Semiconductor 1. Introdução Um CI (Circuito Integrado) pode ser definido como sendo um conjunto de componentes de elementos de circuito, como resistores, diodos, capacitores e transistores, formados e interligados de forma simultânea dentro de um mesmo corpo, normalmente uma pastilha de silício, constituindo um dispositivo único que realiza a função do circuito (MELO 1976). 141

3 Os circuitos integrados são indicados principalmente em aplicações que têm funções repetitivas e possuem espaços limitados, apresentando inúmeras vantagens tais como: tamanho e peso reduzidos, baixo consumo de potência, alta velocidade, confiabilidade, baixo custo e facilidade de manutenção (é mais fácil realizar a manutenção em circuitos integrados complexos, que utilizam circuitos integrados, do que se estes fossem constituídos apenas de componentes individuais). Circuitos integrados construídos com Transistores de Efeito Campo (Field- Effect Transistors - FET) do tipo Metal-Óxido Semicondutor Complementares (Complementary Metal-Oxide Semiconductor - CMOS) são o apogeu de uma história de desenvolvimento tecnológico que teve início em Atualmente, cerca de 75% dos circuitos semicondutores são implementados com essa tecnologia. As principais vantagens apresentadas pela tecnologia CMOS são o baixo consumo de potência, alta imunidade a ruído, alto nível de integração, simplicidade de projeto e operação confiável em ampla faixa de valores de tensão. O "complementary" em seu nome vem do fato dessa tecnologia utilizar os dois tipos de transistores MOSFET, o MOSFET canal N e o MOSFET canal P, de tal modo que um deles "complementa" o outro na necessidade de se produzir funções lógicas. Decodificador é um circuito digital que faz a conversão de um código binário para outro código ou um número qualquer. Geralmente recebe um código binário na entrada e ativa apenas uma saída, correspondente ao número decodificado. Os decodificadores são ferramentas importantes nos projetos digitais, pois são amplamente utilizados para selecionar memórias e realizar conversões de códigos (por exemplo, binário para decimal) e roteamento de dados. Este trabalho tem como objetivo apresentar um projeto completo de um decodificador de linha 4X16 otimizado, de forma que apresente o menor número possível de transistores. Além disso, pretende se desenvolver o projeto utilizando tecnologia CMOS de tamanho 0,25 µm através da utilização da metodologia 142

4 standard cell e passando pelos níveis de projeto: funcional; lógico; de transistores; e de layout. 2. Materiais e Métodos 2.1 Materiais A confecção do projeto elétrico, as simulações e validações foram realizadas através do software Hspice, da empresa Synopsys. Para a elaboração do layout equivalente do circuito foi utilizado o programa Magic VLSI Layout Tool. 2.2 Métodos s considerações que afetam o projeto de decodificador são várias, tais como a velocidade e a área de layout disponível. Assim, minimizar a área do layout pode ser importante. Além disso, considerações sobre o layout são importantes quando se quer que o decodificador se encaixe no mesmo pitch de layout de algum projeto o qual este deverá endereçar como, por exemplo, células de memória ou matrizes de células de MOSFETs. Geralmente, o tamanho do decodificador e o consumo de energia são importantes (SUTHERLAND et al. 1999); um projeto que minimiza esforço lógico ( logicaleffort ) pode exigir demasiado consumo de energia ou muitos transistores na prática. Dessa forma, foram analisados alguns tipos de decodificadores, considerando-se os números de transistores. Os que utilizam o número menor de transistores consumirão menor área, o que leva a escolha do tipo de decodificador por este critério de maneira a se atingir a menor área requerida. Entretanto, existem outros critérios para escolha, já que também deve-se considerar qual dos tipos de decodificadores terão o projeto de layout mais conveniente (alguns tipos de decodificadores podem ter uma área de layout irregular ou um roteamento mais complexo, o que pode inviabilizar sua implementação, mesmo que tenha o menor 143

5 número de transistores). Sabe-se que cada tipo de decodificador possui topologia particular de layout e isto pode levar a um complexo roteamento de trilhas e/ou difícil posicionamento das células, assim como pode levar a uma área de layout muito maior, mesmo considerando o transistor de tamanho mínimo da tecnologia alvo. Para isto, utilizar-se-á do conceito de implementação do circuito final com blocos lógicos menores, utilizando decodificadores com número menor de entradas ou de diferentes tamanhos, seguidos por portas lógicas menores ou com número menor de entradas. Ou seja, inicia-se com dois decodificadores simples ou de um estágio (sendo esse primeiro estágio), como o da Figura III, e as saídas destes recombinadas em um segundo estágio com portas lógicas menores ou com pequeno número de entradas. Essa implementação alternativa, segue a idéia do tipo de decodificador de dois estágios, conforme descrito em (GOEL & AGARWAL 2004). Em (GOEL e AGARWAL), são usadas dois decodificadores 2X4 com portas NAND (pré-decodificador), como a o da Figura V, seguido por 16 portas lógicas NAND de duas entradas, resultando em um decodificador 4X16. Para o desenvolvimento do layout foi adotada a metodologia do tipo biblioteca de células-padrão (standard-cell), pois, dessa forma, o layout será mais facilmente modularizado, e possivelmente mais compacto. Os passos necessários para desenvolvimento do projeto utilizando a metodologia standard cell seguiram os níveis de projeto: funcional; lógico; de transistores; e de layout. Tais níveis serão abordados a seguir. 3. Resultados e Discussão 3.1 Nível funcional 144

6 Nesse nível houve uma divisão do circuito a ser projetado em caixas pretas, cada um com uma função específica. Exemplo: decodificador 2X4 e decodificador 4X Decodificador 4X16 completo A figura I apresenta o Decodificador 4X16, composto por quatro Inversores e dezesseis portas AND de quatro entradas, totalizando 136 transistores, entretanto a figura V apresenta um modelo otimizado, utilizando dois prédecodificadores de 2X4, com menor número de portas lógicas possíveis e sem comprometer o projeto devido à complexidade de roteamento quando da conexão entre os diversos módulos que farão parte do circuito completo do decodificador. 145

7 Figura I. Decodificador 4X transistores. TABELA I Tabela Verdade para o Decodificador completo 4X16 Entradas Saídas A B C D S S S S S S S S S S S S S S S S S15 Fonte: autoria própria Equações de saída: 146

8 3.1.2 Decodificador 4X2 O diagrama de blocos de um codificador de duas entradas e quatro saídas é apresentado a seguir. Figura II. Diagrama de blocos de um decodificador 2X4 O circuito esquemático de um codificador de duas entradas usando portas lógicas NAND de duas entradas (NAND2) e quatro saídas é apresentado a seguira través de portas lógicas. A construção e simulação do circuito foram realizadas no software livre Logisim versão 2.7.1, com a finalidade de ilustrar o layout e verificar seu funcionamento. 147

9 A figura III apresenta o Decodificador 2X4 que será utilizado como précodificador ( predecoder ), uma vez que conforme ilustrado na Figura I, várias portas AND compartilham exatamente as mesmas entradas e são por isso, redundantes. Esta técnica leva a possibilidade de melhorar a área, extraindo essas portas AND em comum por fatoração lógica, melhorando bastante o consumo de área. Figura III. Decodificador 2X4 (pré-decodificador). TABELA II Tabela Verdade para o Decodificador completo 2X4 Entradas Saídas A B S 0 0 S0 0 1 S1 1 0 S2 1 1 S3 Fonte: autoria própria Equações de saída: 148

10 S0 = A. B S1 = A. B S2 = A. B S3 = A. B Decodificador 4X16 proposto O circuito que representa o Decodificador 4X16 apresentado no presente trabalho está ilustrado na Figura IV. Utilizou-se desse circuito, pois há a utilização de dois Pré-decodificadores 2X4 que farão que haja uma redução de portas lógicas e, por conseguinte, uma redução do número de transistores. Esse circuito, por sua vez, é constituído de quatro Inversores, oito portas NAND2 e dezesseis portas NOR2, totalizando 104 transistores. 149

11 Figura IV. Decodificador 4X16 proposto transistores 3.2 Nível lógico Nesta seção haverá o detalhamento de cada uma das caixas pretas em blocos lógicos (portas lógicas), utilizadas para a construção do Decodificador 150

12 4X16. As tabelas verdade para cada porta lógica utilizada estão detalhadas a seguir. Porta Inversora: Figura V. Porta Inversora TABELA III Tabela Verdade Porta Inversora Entrada A Saída S Fonte: autoria própria Equação de saída: S = A Porta lógica NAND: Figura VI. Porta Lógica NAND de 2 entradas TABELA IV Tabela Verdade Porta lógica NAND 151

13 Entradas Saída A B S Fonte: autoria própria Equação de saída: S = A. B Porta lógica NOR: Figura VII. Porta Lógica NOR de 2 entradas TABELA V - Tabela Verdade Porta lógica NOR Entradas Saída A B S Fonte: autoria própria Equação de saída: 152

14 S = A + B 3.3 Nível de transistores Nesse nível foi realizado o dimensionamento dos transistores para implementação das portas lógicas, bem como a definição das dimensões geométricas destes transistores. As portas lógicas usadas no decodificador 4X16 foram dimensionadas com transistores e a tecnologia utilizada foi CMOS estática. Para cada transistor é definida uma largura W e um comprimento L. Quanto maior a largura W menor a resistência e menor o atraso, mas em contrapartida maior a capacitância, ou seja, maior a potência consumida. No presente trabalho empregou-se a tecnologia CMOS 0.25 µm e Vdd = 2,5V, logo LMIN = LN = LP = 0.25 µm. Para dimensionar a largura W dos transistores utilizou-se o gráfico da relação Wp/Wn versus VM (Rabaey2003) e efetuou-se a simulação do inversor a fim de obter-se uma tensão VM = Vdd/2, para comparar os valores da teoria com a prática. Os resultados das simulações são mostrados a seguir. De acordo com o gráfico da Figura XIII a relação W p W n deve ser aproximadamente igual a 3,33. A partir desta relação foram definidos os valores de largura para o NMOS e PMOS do inversor de W n = 0,375 µm ew p = 1,25 µm. Prosseguiu-se com a simulação e verificou-se que com estes valores VM = Vdd/2 = 1,25V, como observado na Figura IX que apresenta a curva VTC do inversor. 153

15 Figura XIII. Gráfico da relação VM x Wp/Wn da tecnologia CMOS 0,25 µm, 2,5V Fonte: Adaptado de Rabaey

16 Figura IX. Curva VTC do Inversor - análise DC 155

17 Figura X. Análise Transiente do Inversor. As figuras a seguir detalham as portas lógicas com o dimensionamento dos transistores. Figura XI. Circuito Elétrico dos Inversores O dimensionamento dos transistores das portas lógicas baseiam-se no inversor. Os detalhes são apresentados a seguir. 156

18 3.4 Caracterização elétrica por simulação A fim de verificar os tempos de atraso nas portas lógicas que do Decodificador 4X16 foram realizadas simulações no software Hspice. O dimensionamento dos transistores das portas lógicas é detalhado a seguir. A Figura XII ilustra a porta lógica NAND de duas entradas e a Figura XIII apresenta a simulação, com valores de W n = 0,375 µm ew p = 0,375 µm. Porta Lógica NAND Figura XII. Circuito Elétrico da Porta Lógica NAND de duas entradas 157

19 Figura XIII. Tabela-verdade da Porta Lógica NAND de duas entradas 158

20 Figura XIV. Simulação Transiente da porta lógica NAND2 Tempos de atraso da porta NAND2 1ª Simulação realizada através do programa Hspice: Tempo de Descida: 45,403n Tempo de Subida: 73,315n Frequência de operação: 1 73,315 = 13,64 MHz Tempos de atraso da porta NAND2 2ª Simulação realizada através do programa Hspice com a utilização do código spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) gerado da extração do layout desenvolvido no programa Magic VLSI: Tempo de Descida: 46,678n Tempo de Subida: 73,93n 159

21 Frequência de operação: = 13,53 MHz A Figura XV ilustra a porta lógica NOR de duas entradas e a figura XVI apresenta a simulação, com valores de W n = 0,375 µm ew p = 1,8 µm. Porta Lógica NOR Figura XV. Circuito Elétrico da Porta Lógica NOR de duas entradas 160

22 Figura XVI. Tabela-verdade da Porta Lógica NOR de duas entradas 161

23 Figura XVII. Simulação transiente da porta lógica NOR2 Tempos de atraso da porta NOR2 1ª Simulação realizada através do programa Hspice: Tempo de Descida: 14,952n Tempo de Subida: 32,009n Frequência de operação: 1 32,009 = 31,24 MHz Tempos de atraso da porta NAND2 2ª Simulação realizada através do programa Hspice com a utilização do código spice gerado da extração do layout desenvolvido no programa Magic VLSI: Tempo de Descida: 14,95n Tempo de Subida: 31,167n 162

24 Frequência de operação: 1 31,167 = 32,08 MHz Nas simulações os transistores já se encontravam dimensionados, obedecendo as seguintes relações: 4. Nível de Layout Nessa fase foi realizado o layout final do circuito de acordo com as regras de projeto fornecidas e com as dimensões preestabelecidas pelo nível de transistores. A partir de cada porta lógica ilustrada através da tecnologia CMOS e uso de transistores obtém-se os desenhos dos layouts. Primeiramente ilustrados através de diagramas de palito ou diagramas Stick e, a seguir na forma de mask layout ou simplesmente layout. 4.1 Diagramas Stick A seguir são apresentados os diagramas Stick das portas lógicas inversora, NAND e NOR. 163

25 Figura XVIII. Diagrama Stick da Porta Lógica Inversora 4.2 Layout A seguir são apresentados os layouts para cada porta lógica. Os Layouts foram desenvolvidos no programa Magic VLSI. 164

26 Porta lógica Inversora FiguraXXI Layout do Inversor 165

27 A Figura XXIV apresenta o layout para o decodificador 2X4 elaborado a partir das portas lógicas construídas e simuladas neste trabalho e com transistores de acordo com a tecnologia CMOS. Figura XXIV. Layout do Decodificador 2X4. 166

28 Após validar todas as portas lógicas que compõem o Decodificador 2X4 em si, pode-se utilizar dois desses como pré-decodificadores, com o intuito de se construir o layout do circuito do Decodificador 4X16. A Figura XXV ilustra o Decodificador 4X16 completo, proposto nesse trabalho. A Figura XXVI apresenta a tabela-verdade para demonstrar o correto funcionamento do decodificador e a Figura XXVII a análise transiente que tem por objetivo analisar os tempos de atraso do circuito. Figura XXV. Layout do Decodificador 4X16 proposto. 167

29 Figura XXVI. Simulação do Decodificador 4X16 proposto. Tabela-verdade. 168

30 Figura XXVII. Simulação do Decodificador 4X16 proposto. Análise transiente. Foram realizadas simulações utilizando o programa Hspice antes da extração do código spice gerado pelo programa Magic VLSI (1ª simulação), e outra após, já utilizando os parâmetros fornecidos pelo Magic (2º simulação). As informações relacionadas à área total das portas lógicas e dos decodificadores, assim como os tempos de atraso obtidos nas simulações são apresentados na Tabela VI. 169

31 TABELA VI Área dos circuitos e tempos de atraso. TEMPOS DE ATRASO TEMPOS DE ATRASO PORTA LÓGICA ÁREA 1ª simulação 2ª simulação (antes da extração do Magic) (após extração do Magic) DESCIDA SUBIDA DESCIDA SUBIDA Inversor ² 29,186n 23,072n 29,78n 23,247n Nand ² 45,403n 73,315n 46,678n 73,93n Nor ² 14,952n 32,009n 14,95n 31,167n Decodificador 2X ² 44,689n 36,573n 45,354n 36,449n Decodificador 4X ² 14,928n 32,104n 15,199n 30,949n Fonte: autoria própria Através da observação da Tabela VI é possível verificar a área final utilizada pelo Decodificador 4X16 proposto, bem como seus tempos de atraso. É importante destacar a importância de um circuito integrado otimizado, que utilize o menor número possível de transistores, de forma que diminua o custo na fabricação, o consumo de energia e a dissipação de calor, além de possuir tempos de atraso baixo e bom desempenho, características fundamentais para um bom projeto de circuito eletrônico integrado. 5. Conclusão 170

32 O presente trabalho apresentou as diversas fases (níveis) de projeto para construção de um circuito integrado digital através do desenvolvimento de um decodificador 4X16 bits otimizado com 104 transistores, com a utilização de metodologia standard cell e tecnologia CMOS que é amplamente utilizada na fabricação de chips e presentes na maioria dos dispositivos eletrônicos utilizados atualmente. Além disso, com a apresentação do projeto e suas simulações elétricas foi possível realizar um estudo comparativo dos resultados obtidos, levando em conta a área e tempo de atraso (considerando o maior tempo de atraso do circuito), de forma que o projeto final do decodificador 4X16 bits fosse devidamente testado e validado. 6. Agradecimentos Agradecemos à URI Campus de Santiago e à UNIPAMPA Campus de Alegrete pelo apoio e incentivo à pesquisa. Referências bibliográficas CAMARATTA, Giovano da Rosa Estruturas de Teste para Avaliação de Variabilidade Estatística em MOSFETs Sub-100nm. Porto Alegre: UFRGS. GOEL, Ashish Kumar; AGARWAL, Manish Decoder Scheme for Making Large Size Decoder. ST Microeletronics Pvt. Ltd., Uttar Pradesh, India, Sep US Patent Disponível em:< 171

33 SYNOPSYS SILICON TO SOFTWARE.2016.Hspice Synopsys. Disponível em: < KANG, Sung-Mo; LEBLEBICI, Yusuf CMOS Digital Integrated Circuits Analysis and Design. 3nd ed. New York: McGraw-Hill Education. MAGIC VLSI Magic VLSI Layout Tool. Disponível em:< >. MELO, Hilton Andrade de Circuitos Integrados. São Paulo: Câmara Brasileira do Livro. RABAEY, J. M. et al Digital Integrated Circuits: A Design Perspective. 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall. SUTHERLAND, I.E.; SPROULL, R. F.; HARRIS, D. F Logical Effort: Designing Fast CMOS Circuits. San Francisco: USA: Morgan Kaufmann. pág