Introduccin

Microwind es un programa de diseo y simulacin de circuitos integrados a nivel fsico. Permite disear el circuito desde el punto de vista de la fabricacin en Silicio (Si), sin ningn tipo de abstraccin. En todo momento estaremos trabajando las mscaras que se pueden utilizar en el Layout.

Este programa nos permite utilizar la tecnologa CMOS, donde podemos disear transistores MOS, NMOS, PMOS, condensadores, resistencias, bobinas y contactos. A todos estos componentes les podemos especificar tanto sus dimensiones como su longitud de canal, adems con la herramienta de simulacin nos permite comparar el comportamiento esttico y dinmico del componente diseado.

Tambin decir que es un editor de mscaras, que permite el chequeo de las reglas de diseo y tambin la extraccin de la netlist del circuito en formato SPICE.

El ProgramaDSCHes un editor lgico y simulador, es usado para validar la arquitectura del circuito lgico antes de empezar con el diseo microelectrnico. DSCH provee al usuario de un entorno cmodo, lo diseos lgicos (Puertas lgicas) estn ordenadas de forma jerrquica. Tambin tiene una rpida herramienta de simulacin con anlisis de retardos. Cuenta con modelos ensamblados para soportar al 8051 y al Pic16f84. Tambin incorpora un interface para WinSpice.

El ProgramaMicrowindpermite disear y simular un circuito integrado a un nivel de descripcin fsico. El paquete contiene una librera de lgica comn y circuitos integrados y analgicos para ver y simular. Microwind incluye todos los comandos para editar las mascaras como herramientas para ver el proceso en 2D, 3D y compilador verilog. La extraccin de su circuito elctrico se realiza de forma automtica y el simulador produce un voltaje analgico y las curvas de corriente.

Microwind es un programa de libre distribucin que podis descargaros desde la siguiente direccinhttp://www.microwind.orgen esta pagina encontraris informacin, manuales, ejemplos, libros, proyectos, notas de aplicacin, etc.. para aquel que quiera complementar o profundizar en el tema.

En esta Wiki de Microwind explicaremos como instalar el programa, el interfaz de trabajo, como disear transistores NMOS, PMOS, puerta de transmisin e inversores CMOS y sus simulaciones.Estos son los archivos de Microwind con la misma versin de practicas:

-- Microwind2-- Dsch2

Una vez descargados podemos descomprimirlos en la carpeta que queramos o crear una especifica para ellos. Una vez echo esto ya podemos ejecutar los programas Microwind2.exe y Dsch2.exe

Tambin podemos conectarnos a la pagina web www.microwind.net all encontraremos la ultima versin Lite del software, versin 3.5, si queremos la versin completa debemos ir a www.ni2designs.com. Una vez instalado, se crearan dos directorios, uno para Microwind35 y otro para Dsch35 como viene ilustrado en el siguiente dibujo.

En cada directorio hay un subdirectorio llamado html que contiene los ficheros de ayuda. En Microwind35, otro subdirectorio incluye ficheros de ejemplo con la extensin *.MSK, design rules que son ficheros de reglas de diseo con extensin *.RUL y ficheros de sistema que pertenecen a Microwind35.exe . En el directorio Dsch35, otros subdirectorios incluyen ficheros de ejemplo *.SCH y *.SYM, design rules *.TEC y ficheros de sistema para el ejecutable Dsch35.exePrincipio del formulario

El Interface:MICROWIND

DSCH

Microwind

Al abrir el programa aparecer como la imagen siguiente. Donde podemos apreciar que existen cuatro partes diferenciadas: El men principal, el men de iconos, el display de trazado de layout y la paleta de trazado. En el display de trazado aparece una rejilla, la escala en unidades lambda (l). Las unidades lambda estn fijadas a la mitad del mnimo permitido en la tecnologa litogrfica. La tecnologa por defecto es CMOS 6-metal layers 0.12 mm, la cual tiene una lambda de 0.06 mm.

Menu File

Implementacin.

Antes de disear los transistores debemos tener en cuenta la reglas de diseo. Las da el fabricante normalmente un fichero con formato *.RUL, son dependientes de la tecnologa empleada, el cumplimiento de las reglas de diseo asegura el funcionamiento del circuito incluso con los errores (tolerancias) de fabricacin, los mas habituales son: Desajuste en el posicionamiento de las mscaras, suciedad, Tolerancias de los procesos.

Las reglas de diseo marcan la anchura mnima de una pista de metal , la separacin mnima entre dos difusiones para asegurar que no entren en contacto tras la fabricacin, tamao mnimo de la puerta de un transistor, etc..

Estas dimensiones pueden venir expresadas en micras, o en lambdas dependiendo de si la tecnologa es escalable o no.

Tambin observar el siguiente dibujo donde hay dibujado de forma transversal un transistor NMOS y otro PMOS. La anchura de la puerta en el transistor es la que permite aumentar o disminuir la corriente que es capaz de manejar.

Transistor NMOSEditar07

Transistor NMOS.

Para fabricar un transistor usaremos microwind NMOS en un sustrato tipo P, necesitaremos dibujar 2 mscaras la primera de ellas ser la puerta de Polisilicio (Gate del transistor). Nos iremos a la paleta y seleccionamos el botn de Polysilicon. Una vez seleccionada la mscara que vamos a dibujar nos vamos a la ventana de display, y dibujamos un rectngulo que ser el que forme la puerta, este rectngulo no puede tener ningn lado menor que dos veces lambda. Para dibujar un rectngulo basta con hacer clic y arrastrar el ratn para dibujar el rectngulo.

En este momento ya tenemos dibujada la puerta, como sabemos el Polisilicio tambin se utiliza como mscara, para delimitar las zonas donde no queremos cambiar el tipo de dopaje de la oblea (por defecto la oblea siempre estar dopada como tipo P), con lo que para realizar un transistor NMOS, tendremos que difundir un rectngulo de impurezas tipo N+. Para ello seleccionamos en la paleta el botn que corresponde a N+ diffusion, una vez seleccionada esta mscara tendremos que dibujar un rectngulo transversal al rectngulo de polisilicio.

Realmente ya tenemos fabricado el transistor NMOS. Para ver que sigue la estructura tpica de un transistor NMOS, usamos la herramienta de corte transversal, podemos seleccionar en el menu simulate2D vertical cross-section. Ahora tendremos que marcar con el ratn el eje de corte, hacemos clic desde el drenador hasta el surtidor formando una lnea, ahora aparecer en pantalla un corte tpico de un transistor NMOS.

Tenemos una opcin en el men EditGenerateMOS Device que permite elegir de forma controlada los valores exactos de anchura y longitud de canal. Podemos elegir esta opcin desde la paleta, para generar layout de todo tipo de componentes, transistores MOS, contactos, bobinas, resistencias, etc.. indicando caractersticas y parmetros especficos.

Con este generador de layout obtenemos un transistores NMOS de forma automtica, pudiendo indicarle anchuras y longitudes de canal.

Para visualizar las Caractersticas estticas del canal como las curvas de polarizacin del NMOS basta con hacer clic en el botn Simulate MOS characteristics, y en esta pantalla obtendremos las correcciones al modelo, que evaluan Ids en funcion de Vd,Vg y Vs entre drenador y surtidor.

Grafica caracterstica del comportamiento esttico de un transistor NMOS:

Para estudiar el comportamiento dinmico de los transistores MOS, el programa Microwind tambin nos ofrece una serie facilidades para ver la respuesta dinmica de los dispositivos MOS, estos iconos los tenemos en la parte superior de la paleta de mscaras.El primero y el segundo son para colocar una fuentes de alimentacin, la referencia de tensin es el tercero, el cuarto introduce un reloj de onda cuadrada, el quinto solo un pulso, el sexto introduce una seal senoidal y el ltimo indica que un nodo ser visible en la representacin.

Cuando pulsemos en cada una de ellas nos aparecer un menu en el que podremos configurar los parmetros especficos de las seales que acabamos de ver.

Una vez colocados estos parmetros ya podremos empezar con la simulacin. Veremos claramente el comportamiento dinmico del NMOS y cumple con los valores de un nivel lgico correcto de 0 y un 1 que no llega al nivel de amplitud de la seal de entrada.

Con estas caractersticas podemos resumir el comportamiento del transistor NMOS de la siguiente manera:

Los valores tpicos de un transistor NMOS que acabamos de crear son:

Transistor PMOSEditar07

Transistor PMOS

Los transistores NMOS y los PMOS tienen un comportamiento diferente. Estas diferencias son importantes tenerlas en cuenta ya que para transistores de iguales dimensiones un tipo es capaz de proporcionar hasta el doble de corriente de drenador que el otro, adems, otra caracterstica importante que los difiere es que un tipo transfiere mejor el nivel lgico que el otro.

Para generar un transistor PMOS en un sustrato tipo P necesitaremos crear un pozo n, desde la paleta boton N Well, ahora dentro del N Well haremos clic en Polysilicon y creamos un rectangulo que ser la puerta (Gate) y por ultimo seleccionamos P+ Diffusion y dibujamos un cuadrado que atraviese de forma transversal a la puerta de polisilicio.

O podemos usar de forma ms cmoda y automtica el Layout Generator:

Para ver que sigue la estructura tpica de un transistor PMOS, usamos la herramienta de corte transversal, podemos seleccionar en el menu simulate2D vertical cross-section para verla.

Tenemos dibujados los dos transistores y se muestra como quedaran realmente con sus contactos fsicos, estos contactos los podemos crear nosotros o dejar que los genere automticamente el generador MOS.

Grfica caracterstica del comportamiento esttico de un transistor PMOS:

Grafica caracterstica del comportamiento dinmico de un transistor PMOS:

Los resultados del transistor PMOS son:

Estos dos componentes son los ms importantes y utilizados para cualquier diseo, los parmetros mas importantes de un circuito integrado son el resultado de la tecnologa utilizada para su creacin. En la siguiente tabla vemos como en la tecnologa de 130nm podemos tener en 1mm2 240 transistores y en la de 22nm nos caben 4500. Cuanto mas pequeo es el transistor menos energa necesita para funcionar y para disipar. Menos consumo mayor potencia.Puerta de TransmisinEditar07

Puerta de transmisin

El dispositivo que permite transmitir correctamente tanto los niveles lgicos altos como los bajos es la puerta de transmisin. Este circuito esta compuesto por un transistor NMOS y otro PMOS trabajando de forma complementaria. Lo podemos disear nosotros o utilizar un archivo llamado tgate.msk en el directorio de Microwind.

Grfica del comportamiento dinmico de una puerta de transmisin vemos como la seal de entrada se transmite a la salida solo cuando la puerta est habilitada.

Inversor CMOSEditar05

Inversor CMOS

Vamos a implementar el circuito lgico correspondiente a un inversor CMOS empleando el programa Dsch2. Una vez abierto seleccionamos el smbolo del transistor que necesite de la librera de smbolos que aparece a la derecha y arrstrelo sobre la ventana de edicin de esquemticos.

Rotaremos y moveremos los transistores y los smbolos de tierra y alimentacin hasta colocarlos como aparece en la siguiente ilustracin, para aadir las lneas de unin hacemos clic al Menu Edit Line y conectamos los transistores.

Este diseo se encuentra en el directorio del programa Dsch y el nombre del archivo es cmosinv.sch.El fanout corresponde a el numero de puertas conectadas a la salida del inversor. Si simulamos un inversor con una sola salida, el retardo de conmutacin es pequeo. Ahora, si simulamos el inversor con muchas salidas, el retardo y el consumo se vern incrementados.

Una vez tenemos el circuito lgico simulamos su comportamiento para eso tenemos la opcin en la barra de menu SimulateStart Simulation o en la barra de herramientas esta este icono.

En la simulacin podemos introducir estmulos en la entrada del inversor con el ratn.

Una vez que hallamos introducido los estmulos pararemos la simulacin y con el botn de la barra de herramientas de diagrama de tiempos.

Aqu podemos medir el retardo que se produce a la salida del inversor, como podemos comprobar en el grfico es menor a un nanosegundo, muy pequeo.

En esta otra grfica tenemos representado los niveles de tensin y vemos que tienen amplitud de la seal de entrada e invertida, al tratarse de un inversor.

CIRCUITOS INTEGRADOS Y MICROELECTRNICAEstas prcticas consisten en realizar el diseo de circuitos integrados simples a nivelfsico. Para ello se utilizar la herramienta Microwind, de acceso gratuito y que puededescargarse del sitio web www.microwind.org.

1. PRCTICA 1: DETECTOR DE PARIDADEl bit de paridad es el mecanismo de deteccin de errores ms sencillo. Consiste enaadir un bit adicional a la palabra a transmitir o almacenar de forma que el nmerototal de 1s que contiene el dato modificado sea par o impar (paridad par o paridadimpar respectivamente). Para esta prctica se propone el diseo a nivel de layout de uncircuito que detecte errores de paridad par en palabras de tres bits, dos de datos y unocorrespondiente al bit de paridad.Los pasos a seguir son los siguientes: Obtener la ecuacin lgica del error de paridad Perr. Tenga en cuenta que eldiseo debe ser lo ms ptimo posible. Dibuje el esquema de puertas de este diseo segn las ecuaciones obtenidas. Dibuje el esquema de transistores del circuito resultante. Justifique qu tipode implementacin es la ms adecuada (puertas de transmisin, transistoresde paso o lgica complementaria) Realice el diseo del layout utilizando la herramienta Microwind. Compruebelas reglas de diseo. Realice las simulaciones necesarias para comprobar elcorrecto funcionamiento del circuito.2. PRCTICA 2: FUNCIN DE VOTACIN POR MAYORASe desea realizar el diseo de un circuito votador que a partir de tres valores obtengael valor mayoritario (vot). Adems de las tres entradas a votar (A,B,C), el circuito tienecomo entrada el valor correcto esperado (esp) y debe generar una salida error que seactive cuando el resultado de la votacin no coincida con el del valor esperado.Los pasos a seguir son los siguientes: Obtener la ecuacin lgica de las salidas vot y error. Dibuje el esquema de puertas de este diseo segn las ecuaciones obtenidas. Dibuje el esquema de transistores del circuito resultante. En caso de necesitarel uso de puertas XOR debern realizarse con puertas de transmisin, y elresto de la lgica con lgica complementaria. Realice el diseo del layout utilizando la herramienta Microwind. Compruebelas reglas de diseo. Realice las simulaciones necesarias para comprobar elcorrecto funcionamiento del circuito.