Microeletrónica: Projecto e Simulação

Objectivos

No final da unidade curricular pretende-se que o aluno compreenda quais os principais tipos de ICs existentes e as etapas envolvidas no projecto, fabrico e caracterização dos mesmos. O aluno deverá compreender o funcionamento (do ponto de vista dos dispositivos elementares), vantagens e limitações de circuitos baseados em diferentes famílias lógicas, nomeadamente TTL, MOS e CMOS, bem como nas mais recentes tecnologias de TFTs. Deverá ainda saber efectuar o correcto dimensionamento de dispositivos e efectuar desenho de máscaras litográficas de ICs simples com tecnologia CMOS.

Caracterização geral

Código

12602

Créditos

6.0

Professor responsável

Pedro Miguel Cândido Barquinha

Horas

Semanais - 4

Totais - 76

Idioma de ensino

Português

Pré-requisitos

A disponibilizar brevemente

Bibliografia

- Peter Shepherd , Integrated Circuit Design, Fabrication and Test, McGraw Hill Higher Education (1996). ISBN: 007057278X
- Christopher Saint, Judy Saint, IC Layout Basics: A pratical guide, McGraw-Hill Professional (2001). ISBN: 0071386254
- Randall Geiger, Phillip Allen, Noel Strader, VLSI: design techniques for analog and digital circuits, McGraw-Hill (1990). ISBN: 0071007288
- Douglas Pucknell, Kamran Eshraghian, Basic VLSI Design, Prentice Hall (1994). ISBN: 0130791539
- Eugene Fabricius, Introduction to VLSI design, McGraw-Hill (1990). ISBN: 007100727X
 
- Várias referências atuais sobre aplicação de TFTs a circuitos, a ser indicados durante as aulas TP.

Método de ensino

As aulas teóricas procuram explicar os pontos fundamentais que permitem chegar a um correcto desenho de circuitos, tendo em conta diversos efeitos como sejam a área total ocupada, consumo, efeitos capacitivos parasitas, tempos de propagação do sinal, entre outros. Todos estes conceitos são apresentados para as duas famílias lógicas mais relevantes (nMOS e CMOS), sendo no entanto dados a conhecer aspectos fundamentais para o desenho de ICs independentes da família lógica seleccionada. Além disso, os conceitos são expandidos para as mais recentes tecnologias de TFTs. Toda esta informação, bem como referências que permitem aprofundá-la ainda mais, é facultada aos alunos após cada aula teórica.

As aulas práticas estão perfeitamente coordenadas com as temáticas das aulas teóricas, fazendo uso de ferramentas freeware bastante completas e didáticas (DSCH e Microwind) que permitem o desenho de circuitos e máscaras de um modo automatizado ou completamente manual, sendo possível através de um módulo de simulação ver qual o efeito de pequenas alterações de desenho no desempenho dos circuitos. São definidos vários critérios relativamente ao desempenho final de circuitos, havendo uma multiplicidade de caminhos que os alunos podem seguir para os obter, havendo por isso espaço a uma análise crítica dos resultados obtidos, fomentando que sejam os alunos a procurar, com base nos conceitos teóricos aprendidos, quais as formas de obter os melhores designs possíveis.

Método de avaliação

Os alunos são avaliados por dois testes teóricos (facultativos e realizados no Moodle - Avaliação à Distância, AD) efectuados ao longo do semestre. Os alunos que não quiserem, ou não puderem, realizar AD, poderão realizar um exame na época 1 que substituirá o resultado dos testes realizados em AD, de acordo com o anexo ao regulamento de avaliação.

Classificações obtidas em regime de Avaliação à Distância iguais ou superiores a 15 valores poderão estar sujeitas a posterior prova oral

Nota final:

50 % média testes (Moodle) ou exame

50 % - 3 trabalhos sobre aulas práticas (20 % modelos, 10 % TCAD e 20 % Microwind)

Aprovação com frequência e média ponderada > 9.5 (média de testes ou exames > 9.5 V)

Frequência: Média dos 3 trabalhos sobre aulas práticas >9.5.

Conteúdo

Teóricas:

- Circuitos integrados (ICs): conceitos elementares, tipos de ICs, enquadramento histórico, gerações e tendências actuais

- Ciclo de desenho de ICs. Principais considerações de projecto (tecnologia e arquitectura, estratégia de desenho, consumo, caracterização, factores económicos)

- Noções de álgebra boleana. Portas lógicas e principais parâmetros de caracterização de circuitos digitais. Comparação da estrutura e operação de BJTs e MOSFETs integrados em ICs.

- Principais famílias lógicas: TTL, ECL, MOS e CMOS.

- O inversor nMOS: VTC, cargas passivas e activas, razão geométrica. Portas NOR e NAND baseadas em nMOS.

- O inversor CMOS: VTC, operação e razão geométrica. Latch-up, portas NOR e NAND baseadas em CMOS.

- Implementação de funções digitais com TFTs: limitações e formas de as superar.

- Considerações sobre processo em CMOS e noções elementares para optimização de desenho.

- Regras de desenho de ICs: níveis hierárquicos, códigos de cores, diagramas, design rules para layouts de máscaras.

- Portas de transmissão em nMOS e CMOS

- Análise de propagação de sinal em portas nMOS e CMOS. Circuitos buffer para simetria de tempos de propagação de sinal

- Considerações sobre cargas capacitivas (capacitive loading, logic fan-out delays, distributed drivers, driving off-chip loads, cascaded drivers). Dissipação de potência em nMOS e CMOS. Ruído em circuitos digitais.

 

Práticas:

- Modelos compactos para TFTs (funcionamento DC)

- Simulação física de TFTs em ambiente SILVACO TCAD (Atlas).

- Microwind e DSCH: desenho de circuitos digitais (esquemático e layout), para tecnologia nMOS e CMOS. Efeitos geométricos e cargas capacitivas.

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: