Modulo_Microelectronica_Versión1.pdf

Texto completo

(1) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA. 299008 - MICROELECTRÓNICA FAIBER ROBAYO BETANCOURT (Director Nacional). PEDRO TORRES SILVA Acreditador. BOGOTÁ D.C Julio de 2009. .

(2) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO. El presente módulo fue diseñado en el año 2009 por el Ing. Faiber Robayo Betancourt, tutor de la UNAD, y ubicado en el CEAD de Neiva, el Ing. Robayo es Ingeniero Electrónico, y maestrante en Ingeniería de Control Industrial, se ha desempeñado como tutor de la UNAD desde el 2005. Esta es la primera versión del módulo retroalimentándolo constantemente para mejorarlo.. y. se. espera. continuar. Este mismo año el Ing. PEDRO TORRES SILVA, Coordinador Nacional de Cadena de Formación en Electrónica, Telecomunicaciones y Audio, apoyó el proceso de revisión de estilo del módulo y dio aportes disciplinares, didácticos y pedagógicos en el proceso de acreditación de material didáctico desarrollado en el mes de JULIO de 2009.. .

(3) UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD. ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA . CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . INTRODUCCIÓN "Los principios de la física, como yo lo veo, no hablan sobre la posibilidad de maniobrar cosas átomo por átomo. Esto no es un intento de violar alguna ley; es algo que en principio se puede hacer; pero en la práctica, no se ha hecho porque somos demasiado grandes." Richard Feynman (premio Nobel de física 1959) . . El objetivo de este libro es proporcionar una herramienta de ayuda didáctica que permita adquirir los conocimientos básicos de microelectrónica necesarios en los estudios de Ingeniería Electrónica, Telecomunicaciones y Audio. El libro ha sido dimensionado para que su contenido pueda ser impartido dentro de un ciclo o semestre. No pretende sustituir a otros libros de consulta ya muy arraigados en el campo de la electrónica, sino resumir los conocimientos de los dispositivos semiconductores e introducir algunos de los circuitos monolíticos más significativos que existen en el mercado. El alumno adquirirá un núcleo de conocimientos básicos con una fuerte componente práctica que constituirán una base idónea para abordar una futura especialización en cualquiera de los campos de la electrónica. Se parte de la idea de que el estudiante posee los conocimientos previos de las herramientas de análisis de circuitos lineales en las asignaturas de Electromagnetismo y Análisis de circuitos DC, Análisis de circuitos AC, Electrónica Básica, Amplificadores, Sistemas digitales Básico, Sistemas Digitales Secuenciales y CAD para Electrónica y/o Telecomunicaciones, y está familiarizado con los modelos y comportamiento circuital de los principales dispositivos electrónicos más importantes en los cursos mencionados en especial en Electrónica y Digitales. De esta manera el alumno pierde la idea del dispositivo como elemento aislado y lo estudia como elemento constitutivo de un circuito más complejo y en muchos casos de un sistema integrado. Este libro ha sido dotado de una estructura y organización adecuada que permita adquirir los conocimientos de forma lógica y ordenada. Para ello, ha sido dividido en tres Unidades didácticas temas de acuerdo a su contenido. La Unidad 1. Tecnología microelectrónica: donde se explicita la historia y las tendencias futuras en los procesos de fabricación de circuitos integrados. Se realiza un reconocimiento de saberes previos en semiconductores, circuitos NMOS y PMOS, transistores bipolares, dispositivos pasivos, estructuras lógicas y bloques analógicos básicos, sistemas digitales. Y se introduce en los principios básicos de diseño. Tecnología para la integración y los dispositivos programables. Unidad 2. Metodología de diseño: se plantea como se realiza un diseño de. .

(4) UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD. ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA . CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . integración circuital. La utilización de software para la implementación de diseños y la realización de pruebas de los circuitos diseñados. Unidad 3. Utilización de dispositivos lógicos programables: se especifican las estrategias por el diseño de lógica programable y el uso de otros dispositivos, herramientas y proveedores. Al final de cada unidad se incluye un conjunto de problemas significativos que ayudan a la comprensión de los aspectos teóricos procurando utilizar valores prácticos de acuerdo a las especificaciones proporcionadas por el fabricante. Por ello, el libro incluye además un apéndice con las características de los principales dispositivos electrónicos que deben ser utilizadas en la resolución de algunos problemas con objeto de adquirir una idea de utilidad práctica de los valores de los parámetros de los dispositivos.. .

(5) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . INDICE DE CONTENIDO UNIDAD 1............................................................................................................................................ 22 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN A LA MICROLECTRÓNICA Y PROCESOS DE FABRICACIÓN.................................................................................................................................. 24 LECCIÓN 1: BREVE HISTÓRICA SOBRE LA MICROELECTRÓNICA........................ 24 EL PASADO DE LA ELECTRÓNICA .......................................................................................... 24 LA ELECTRÓNICA Y LOS SEMICONDUCTORES ................................................................ 25 LA MICROELECTRÓNICA Y EL SIGLO XX ............................................................................. 26 LECCIÓN 2: TENDENCIAS FUTURAS....................................................................................... 31 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 31 SMALLER ........................................................................................................................................... 31 FASTER, CHEAPER......................................................................................................................... 33 EL LÍMITE FÍSICO ............................................................................................................................. 34 CONCLUSIONES ............................................................................................................................. 39 AUTOEVALUACIÓN: ....................................................................................................................... 39 LECCIÓN 3: PROCESO DE FABRICACIÓN............................................................................. 40 FABRICACIÓN DE NMOS Y PMOS.............................................................................................. 40 FABRICACIÓN DE BJT Y FET ...................................................................................................... 42 MOSFET de empobrecimiento ......................................................................................................... 43 AUTOEVALUACIÓN......................................................................................................................... 45 LECCIÓN 4: BLOQUES ANALÓGICOS BÁSICOS................................................................. 46 AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL .................................................................................. 46 COMPORTAMIENTO EN CONTINUA (DC) ............................................................................... 47 COMPORTAMIENTO EN ALTERNA (AC).................................................................................. 47 CONFIGURACIONES ...................................................................................................................... 48 Comparador........................................................................................................................................ 48 Seguidor .............................................................................................................................................. 48 Inversor................................................................................................................................................ 49 Integrador ideal.................................................................................................................................. 51 .

(6) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . APLICACIONES ............................................................................................................................... 52 ESTRUCTURA .................................................................................................................................. 52 PARÁMETROS ................................................................................................................................. 54 LIMITACIONES ................................................................................................................................. 54 Espejo de corriente........................................................................................................................... 56 AUTOEVALUACIÓN: ....................................................................................................................... 58 LECCIÓN 5: REGLAS DE DISEÑO ............................................................................................. 59 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................... 59 PROCESOS DE DISEÑO................................................................................................................. 62 TÉCNICAS DE DISEÑO MICROELECTRÓNICO ....................................................................... 66 AUTOEVALUACIÓN: ....................................................................................................................... 71 CAPÍTULO 2: REPASO DE ELECTRONICA DIGITAL .......................................................... 73 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 73 LECCIÓN 1: PUERTAS LOGICAS............................................................................................... 73 PRIMERAS FAMILIAS LÓGICAS: C. I. CON TRANSISTORES BIPOLARES..................... 75 DESARROLLO DE LAS TECNOLOGÍAS MOS: FAMILIA CMOS.......................................... 77 PUERTAS LÓGICAS DE LA FAMILIA CMOS ............................................................................ 78 Inversores CMOS............................................................................................................................... 78 Compuerta NAND CMOS ................................................................................................................. 79 Compuerta NOR CMOS ................................................................................................................... 80 Compuertas AND Y OR .................................................................................................................... 81 AUTOEVALUACION ......................................................................................................................... 81 LECCIÓN 2: DIAGRAMAS DE TIEMPOS, RETARDOS......................................................... 82 AUTOEVALUACION ......................................................................................................................... 83 LECCIÓN 3: CIRCUITOS COMBINACIONALES ..................................................................... 85 CIRCUITOS SUMADORES ............................................................................................................. 86 CODIFICADORES Y DECODIFICADORES................................................................................. 88 MULTIPLEXORES Y DEMULTIPLEXORES................................................................................ 93 CIRCUITOS COMPARADORES .................................................................................................... 97 GENERADORES/COMPROBADORES DE PARIDAD.............................................................. 98 AUTOEVALUACION ....................................................................................................................... 100 .

(7) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . LECCIÓN 4: CIRCUITOS SECUENCIALES SINCRONOS Y ASINCRONOS Y MAQUINAS DE ESTADOS FINITO ........................................................................................... 101 CIRCUITOS LÓGICOS SECUENCIALES .................................................................................. 101 CONCEPTOS GENERALES DE LATCHES Y FLIP-FLOPS:................................................. 103 El Flip-Flop S-R (Set-reset) ............................................................................................................ 103 El flip-flop D....................................................................................................................................... 105 El flip-flop J-K.................................................................................................................................... 106 El Flip-Flop T (Toggle) .................................................................................................................... 107 REGISTROS ..................................................................................................................................... 108 CONTADORES ................................................................................................................................ 109 MAQUINA DE ESTADOS FINITOS ........................................................................................... 111 ESTRUCTURA ................................................................................................................................. 111 DISEÑO DE MAQUINAS DE ESTADO SINCRONIZADAS CON RELOJ ..................... 112 AUTOEVALUACION ....................................................................................................................... 114 LECCIÓN 5: RIESGOS O AZARES ........................................................................................... 115 AZARES ............................................................................................................................................ 115 AUTOEVALUACION ....................................................................................................................... 119 CAPÍTULO 3: TECNOLOGIAS PARA LA INTEGRACION DE CIRCUITOS .................. 120 INTRODUCCION ............................................................................................................................ 120 LECCIÓN 1: CIRCUITOS INTEGRADOS A MEDIDA (ASIC) DISPOSITIVOS LOGICOS PROGRAMABLES (PLD) ............................................................................................................. 120 ASIC ................................................................................................................................................... 121 DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES ......................................................................... 121 Clases de Dispositivos Lógicos Programables ........................................................................... 123 Circuitos integrados a medida. .............................................................................................. 123 Matrices de puertas. ................................................................................................................ 124 Células normalizadas. ............................................................................................................. 124 FPICs. ................................................................................................................................................ 125 PLDs. ................................................................................................................................................. 125 ASPLDs............................................................................................................................................. 125 FPGAs. .............................................................................................................................................. 126 ARQUITECTURAS DE LOS DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMABLES (PLDS). ..... 127 .

(8) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 130 LECCIÓN 2: DISPOSITIVOS LOGICOS PROGRAMABLES AVANZADOS (CPLD Y FPGA)................................................................................................................................................ 131 CPLD.................................................................................................................................................. 131 Matriz de Interconexiones Programables ........................................................................ 132 Bloques Lógicos ................................................................................................................... 132 Las familias MAX340 y MAX5000................................................................................................. 134 Macroceldas.......................................................................................................................... 134 Celda de entrada/salida ...................................................................................................... 136 FPGA...................................................................................................................................... 136 Antifuse .............................................................................................................................. 137 SRAM ................................................................................................................................. 137 Celdas Lógicas ..................................................................................................................... 137 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 140 LECCIÓN 3: CARACTERISTICAS ESPECIALES.................................................................. 141 Facilidad de diseño ....................................................................................................................... 141 Prestaciones ................................................................................................................................... 141 Fiabilidad.......................................................................................................................................... 141 Economía ......................................................................................................................................... 142 Seguridad......................................................................................................................................... 142 Consumo de corriente en los PLDs.......................................................................................... 143 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 144 LECCIÓN 4: DISPOSITIVOS ANALOGICOS PROGRAMABLES ..................................... 145 EVOLUCIÓN DE LOS FPAAs ...................................................................................................... 146 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 147 LECCIÓN 5: FAMILIAS DE DISPOSITIVOS ANALOGICOS .............................................. 148 FPAAs COMERCIALES.................................................................................................................. 148 Circuitos FPAAs de Lattice............................................................................................................. 148 Circuitos FPADs de Zetex .............................................................................................................. 150 Circuitos FPAAs de Anadigm......................................................................................................... 152 AN120E40 y AN220E04 ................................................................................................................. 154 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 155 .

(9) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS DE LA UNIDAD 1 .................................................. 156 FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 1 ...................................................................... 159 UNIDAD 2.......................................................................................................................................... 161 METODOLOGIAS DE DISEÑO.................................................................................................... 161 CAPÍTULO 4: METODOLOGIAS DE DISEÑO ....................................................................... 163 LECCIÓN 1: NIVELES DE ABSTRACCIÓN Y REPRESENTACIONES DE UN CIRCUITO MICROELECTRÓNICO .................................................................................................................. 163 DIAGRAMA DE LA ‘Y’ Y PROCEDIMIENTOS INVOLUCRADOS EN EL DISEÑO........... 165 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 168 LECCIÓN 2: VARIABLES DE DISEÑO PARA CADA NIVEL DE ABSTRACCIÓN........... 169 VARIABLES DE DISEÑO A NIVEL FÍSICO............................................................................... 169 VARIABLES DE DISEÑO A NIVEL ELÉCTRICO..................................................................... 170 VARIABLES DE DISEÑO A NIVEL LÓGICO/MACROMODELO .......................................... 171 VARIABLES DE DISEÑO A NIVEL DE ARQUITECTURA ..................................................... 172 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 173 LECCIÓN 3: DIAGRAMA DE FLUJO DE DISEÑO Y HERRAMIENTAS DE AYUDA AL DISEÑO ............................................................................................................................................. 174 Diseño descendente, diseño ascendente.................................................................................... 174 FLUJO DE DISEÑO TÍPICO EN ASIC’s..................................................................................... 176 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 178 LECCIÓN 4: EJEMPLO DE DISEÑO .......................................................................................... 179 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 186 LECCIÓN 5: COSTES DE LA FASE DE DISEÑO .................................................................... 187 COSTES DE PERSONAL .............................................................................................................. 187 COSTES DE HERRAMIENTAS DE DISEÑO............................................................................. 188 COSTES FIJOS ............................................................................................................................... 189 COSTES DE DIFERENTES ALTERNATIVAS DE DISEÑO DE CIRCUITOS INTEGRADOS ............................................................................................................................................................. 190 Full Custom ....................................................................................................................................... 190 Standard Cell .................................................................................................................................... 190 Gate Array ......................................................................................................................................... 191 FPGA.................................................................................................................................................. 191 .

(10) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . AUTOEVALUCION.......................................................................................................................... 194 CAPÍTULO 5: LENGUAJES DE DESCRIPCION Y FORMATOS ...................................... 195 INTRODUCCION ............................................................................................................................ 195 LECCIÓN 1: MODELOS Y SIMULADORES FISICOS ............................................................ 195 MODELOS Y SIMULADORES ELÉCTRICOS........................................................................... 195 MODELOS Y SIMULADORES LÓGICOS .................................................................................. 200 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 202 LECCIÓN 2: VHDL BASICO ......................................................................................................... 203 HISTORIA ......................................................................................................................................... 203 CARACTERÍSTICA PRINCIPALES DE VHDL ......................................................................... 205 Modelo de estructura....................................................................................................................... 205 Modelo de concurrencia.................................................................................................................. 206 Modelo de tiempo............................................................................................................................. 208 UNIDADES BÁSICAS DE DISEÑO ............................................................................................. 210 Declaración de entidad ................................................................................................................... 211 Arquitectura....................................................................................................................................... 212 Configuración.................................................................................................................................... 215 Paquetes............................................................................................................................................ 216 Bibliotecas ......................................................................................................................................... 217 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 218 LECCIÓN 3: NIVELES DE DESCRIPCIÓN VHDL ................................................................... 219 ETAPAS BÁSICAS EN EL PROCESO DE DISEÑO................................................................ 220 Definición de los requerimientos del diseño................................................................................ 220 Modelado del diseño en VHDL ...................................................................................................... 220 Simulación del Código Fuente....................................................................................................... 221 Síntesis, Optimización y Ajuste del diseño.................................................................................. 221 Síntesis .............................................................................................................................................. 221 Optimización ..................................................................................................................................... 221 Ajuste ................................................................................................................................................. 221 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 224 LECCIÓN 4: MODELOS Y SIMULADORES DE ALTO NIVEL .............................................. 225 AUTOMATIZACIÓN DEL DISEÑO MICROELECTRÓNICO................................................... 228 .

(11) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . Síntesis de alto nivel........................................................................................................................ 230 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 234 LECCIÓN 5: HERRAMIENTAS CAD .......................................................................................... 235 ENTORNOS EDA ............................................................................................................................ 238 TENDENCIAS FUTURAS EN CAD.............................................................................................. 239 AUTOEVALUACION....................................................................................................................... 240 CAPÍTULO 6: TEST DE CIRCUITOS INTEGRADOS ........................................................... 241 LECCIÓN 1: VALIDACIÓN Y PRUEBA DE CIRCUITOS INTEGRADOS......................... 241 PERTURBACIONES EN EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE UN CIRCUITO INTEGRADO.................................................................................................................................... 242 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 244 LECCIÓN 2: PROCEDIMIENTO DE TEST ............................................................................... 245 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 246 LECCIÓN 3: DISEÑO PARA LA PRUEBA (DFT) .................................................................. 247 ASPECTOS DEL DFT ................................................................................................................... 247 Test ad hoc....................................................................................................................................... 248 Test scan-based.............................................................................................................................. 249 AUTOEVALUACION ............................................................................................................................. 251 LECCIÓN 4: DISEÑO BOUNDARY-SCAN .............................................................................. 252 Built-in Self-Test (BIST) ................................................................................................................ 252 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 254 LECCIÓN 5: GENERACIÓN DE PATRONES DE TEST....................................................... 255 Rendimiento del proceso de fabricación (yield) ...................................................................... 255 Modelos de fallos ............................................................................................................................ 256 GENERACIÓN AUTOMÁTICA DE VECTORES DE TEST (ATPG) ................................... 258 Simulación de fallos (fault-grading) ............................................................................................ 259 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 260 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS DE LA UNIDAD 2 .................................................. 261 FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 2 ...................................................................... 262 UNIDAD 3.......................................................................................................................................... 264 UTILIZACION DE DISPOSITIVOS LOGICOS PROGRAMABLES ...................................... 264 CAPÍTULO 7: DISEÑO CON LOGICA PROGRAMABLE .................................................... 266 .

(12) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . LECCIÓN 1: FPGAs (FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY) ..................................... 266 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 269 LECCIÓN 2: ESTRUCTURA DE FPGAs .................................................................................. 270 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 274 LECCIÓN 3: NUEVAS INCORPORACIONES A LA ARQUITECTURA BÁSICA de FPGAs............................................................................................................................................... 275 Memoria............................................................................................................................................ 275 Bloques aritméticos..................................................................................................................... 275 Microprocesadores ...................................................................................................................... 275 Manejo de relojes.......................................................................................................................... 276 Entrada-salidas específicas ...................................................................................................... 276 Conversores serie-paralelo de alta velocidad .................................................................... 276 Facilidades de test on-chip ....................................................................................................... 276 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 276 LECCIÓN 4: EJEMPLOS DE FPGAs COMERCIALES ........................................................ 277 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 284 LECCIÓN 5: HERRAMIENTAS DE SOFTWARE (EDA, CAE, CAD) ................................ 285 EVOLUCIÓN HISTÓRICA ............................................................................................................ 286 HERRAMIENTAS DE ALTO NIVEL........................................................................................... 290 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 291 CAPÍTULO 8: OTROS DISPOSITIVOS PROGRAMABLES ............................................... 292 LECCIÓN 1: FPAA (FIELD PROGAMMABLE ANALOG ARRAY) ............................... 292 Evolución de los FPAAs ................................................................................................................ 293 FPAAs Comerciales ....................................................................................................................... 294 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 295 LECCIÓN 2: FAMILIAS DE FPAAs ........................................................................................... 296 CIRCUITOS FPAAs DE LATTICE.............................................................................................. 296 CIRCUITOS FPADs DE ZETEX.................................................................................................. 297 CIRCUITOS FPAAs DE ANADIGM ........................................................................................... 298 AN120E40 y AN220E04 ................................................................................................................ 301 METODOLOGÍA DE DISEÑO USANDO CIRCUITOS FPAAs ............................................ 302 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 303 .

(13) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . LECCIÓN 3: PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES (DSP).................................. 304 INTRODUCCION ............................................................................................................................ 304 ¿QUÉ ES UN DSP? ....................................................................................................................... 304 CARACTERÍSTICAS DE LOS DSP ........................................................................................... 306 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 310 LECCIÓN 4: ARQUITECTURA DE DSP’s ............................................................................... 311 ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA.......................................................................................... 311 SEGMENTACIÓN (“PIPELINING”) ........................................................................................... 312 CONSUMO ....................................................................................................................................... 314 COSTE .............................................................................................................................................. 314 ARQUITECTURAS DE ALTAS PRESTACIONES ................................................................. 315 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 317 LECCIÓN 5: TIPOS DE DSP, CRITERIOS DE SELECCION Y APLICACIONES ......... 318 TIPOS DE DSPs ............................................................................................................................. 318 SEGÚN EL TIPO DE ARITMETICA UTILIZADA .................................................................... 318 SEGÚN EL PARALELISMO DEL DISPOSITIVO ................................................................... 319 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE DSPs ................................................................................... 320 RANGO DINÁMICO ....................................................................................................................... 321 FAMILIAS DE DSPs MÁS REPRESENTATIVAS .................................................................. 322 AREAS DE APLICACION ............................................................................................................ 323 EJEMPLO DE APLICACIÓN ......................................................................................................... 324 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 325 CAPÍTULO 9: OTRAS APLICACIONES................................................................................... 326 LECCIÓN 1: CASO PRÁCTICO BASADO EN FPGAS Y SISTEMAS DE TELEFONÍA MÓVIL ............................................................................................................................................... 326 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 326 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA PROPUESTO ........................................................................ 326 IMPLEMENTACIÓN HARDWARE DEL SISTEMA ................................................................ 328 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 331 LECCIÓN 2: DESCRIPCION DE SUBMODULOS: UART, CODIFICADOR DE COMANDOS .................................................................................................................................... 332 SUBMÓDULO ‘UART’................................................................................................................... 332 .

(14) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . SUBMÓDULO ‘CODIFICADOR DE COMANDOS’ ................................................................ 332 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 334 LECCIÓN 3: DECODIFICADOR DE COMANDOS, CONVERTIDOR................................ 335 SUBMÓDULO ‘DECODIFICADOR DE COMANDOS’........................................................... 335 SUBMÓDULO ‘CONVERTIDOR NUMEROS=>CARACTERES’ ........................................ 335 SUBMÓDULO ‘CONTROLADOR DE COMUNICACIONES’ ............................................... 336 SUBMÓDULO ‘MULTIPLEXOR’ ................................................................................................ 337 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 337 LECCIÓN 4: CASO PRÁCTICO, SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA ........ 338 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 342 LECCIÓN 5: CONTROL DIGITAL DE POSICIÓN CON ACELEROMETROS UTILIZANDO FPGAS ................................................................................................................... 343 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 343 RECURSOS UTILIZADOS ........................................................................................................... 343 CONTROL DIGITAL ...................................................................................................................... 346 ARQUITECTURA............................................................................................................................ 347 IMPLEMENTACIÓN ....................................................................................................................... 350 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 352 AUTOEVALUACION...................................................................................................................... 352 ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS DE LA UNIDAD 3 .................................................. 353 FUENTES DOCUMENTALES DE LA UNIDAD 3 ...................................................................... 354 . . .

(15) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . LISTADO DE TABLAS Cuadro 1: Evolución de las reglas de diseño de los circuitos integrados. ........................... 32 Cuadro 2: Evolución de los chips de Intel en sus diversas características.[5] ..................... 33 Cuadro 3: Algunas áreas tecnológicas en crecimiento exponencial. [3] .............................. 34 Cuadro 4: Mejor ajuste actual al crecimiento de la microelectrónica. [3] .............................. 35 Cuadro 5: Ventas y computadoras personales estimadas en el mundo................................. 37 Tabla 4.1 Niveles de abstracción y ejemplos de elementos utilizados en las representaciones del diseño en las distintas vistas ................................................................... 165 Tabla 4.2 Variables a nivel físico derivadas del proceso de fabricación................................ 169 Tabla 4.3 Variables de diseño a nivel eléctrico. ......................................................................... 170 Tabla 4.4 Variables de diseño a nivel lógico/macromodelo ..................................................... 171 Tabla 4.5 Variables de diseño a nivel de arquitectura............................................................... 172 Tabla 4.6 Prospección de mejoras de la velocidad en función de estrategias de diseño, tomando como punto de partida el micro Alpha ......................................................................... 180 Tabla 4.7 Características de implementación y de la tecnología para un microprocesador Alpha de última generación............................................................................................................ 181 Tabla 4.8 Resumen de caracterIsticas de diferentes alternativas de realización de un circuito integrado.............................................................................................................................. 192 Tabla 8.1: Evolución de los FPAAs ............................................................................................ 294 Tabla 8.2: FPAAs comerciales .................................................................................................... 295 Tabla 8.3 Circuitos FPAAs de la familia IspPAC..................................................................... 297 Tabla 9.1 Ejemplo de comunicación entre fpga y modem GSM.......................................... 339 Tabla 9.2 Resultados de la implementación hardware .......................................................... 341 Tabla 9.3. Cambios en los ejes X y Y a ±90°. ......................................................................... 346 Tabla 9.4. Valores del acelerómetro ADXL202E. ................................................................... 350 Tabla 9.5. Características del contador de control................................................................. 350 Tabla 9.6. Características de servomotor Futaba S3004. .................................................... 351 Tabla 9.7. Valores de inclinación para las diferentes etapas. ............................................. 351 Tabla 9.8. Porcentaje utilizado del FPGA................................................................................. 352 . .

(16) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS Figura 1.1 Microfotografía de un circuito integrado ................................................................. 27 Figura 1.2. Sección transversal de un transistor MOSFET con canal n................................... 41 Figura 1.3. Amplificador operacional ideal .................................................................................... 46 Figura 1.4. Amplificador comparador ............................................................................................. 48 Figura 1.5. Amplificador seguidor ................................................................................................... 48 Figura 1.6. Amplificador inversor..................................................................................................... 49 Figura 1.7. Amplificador No inversor .............................................................................................. 49 Figura 1.8. Sumador inversor .......................................................................................................... 50 Figura 1.9. Restador.......................................................................................................................... 50 Figura 1.10. Integrador ideal ............................................................................................................ 51 Figura 1.11. Derivador ideal............................................................................................................. 51 Figura 1.12. Diagrama electrónico del operacional 741........................................................... 53 Figura 1.13. Espejo de corriente.................................................................................................... 56 Figura 1.14. Espejo de corriente implementado con transistores bipolares tipo NPN usando una resistencia para fijar la intensidad de referencia I REF ......................... 57 Figura 1.15. Ejemplos de diseños microelectrónicos (a) analógicos y (b) digitales. ............. 60 Figura 1.16.Clasificación jerárquica de los sistemas digitales. ................................................. 61 Figura 1.17. Pasos del proceso de fabricación de un circuito CMOS con el proceso de nwell. ...................................................................................................................................................... 63 Figura 1.18. Reglas de diseño de un proceso CMOS en tecnología de 0.12 µm................. 66 Figura 1.19. Procesos en el flujo de diseño top-down. ............................................................... 67 Figura 1.20. Diferentes pasos del flujo de diseño top-down ...................................................... 69 Figura 1.21. Flujo de diseño. ........................................................................................................... 71 Figura 2.1. Propiedades del Algebra de Boole: Tablas y representación gráfica................... 74 Figura 2.2. Puerta NOR RTL ........................................................................................................... 75 Figura 2.3. Puerta NAND DTL......................................................................................................... 75 Figura 2.4. Puerta NAND TTL ......................................................................................................... 76 Figura 2.5. Inversor CMOS .............................................................................................................. 79 .

(17) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . Figura 2.6. Compuerta NAND CMOS ............................................................................................ 80 Figura 2.7. Compuerta NOR CMOS............................................................................................... 81 Figura 2.8. Retardos de propagación en puertas lógicas........................................................... 82 Figura 2.9. Sistema combinacional ................................................................................................ 86 Figura 2.10. Semisumador............................................................................................................... 87 Figura 2.11. Semisumador con AND, OR, INVERSOR.............................................................. 87 Figura 2.12. Sumador completo...................................................................................................... 88 Figura 2.13. Decodificador............................................................................................................... 91 Figura 2.14. Decodificador BCD a 7 segmentos.......................................................................... 92 Figura 2.15. Multiplexor (a) y Demultiplexor (b)........................................................................... 94 Figura 2.16. Multiplexor.................................................................................................................... 96 Figura 2.17. Demultiplexor............................................................................................................... 97 Figura 2.18. Comparador con compuertas ................................................................................... 98 Figura 2.19. Autómata de Mealy................................................................................................... 102 Figura 2.20. Autómata de Moore .................................................................................................. 102 Figura 2.21. Circuitos biestables .................................................................................................. 103 Figura 2.22. Flip Flop SR ............................................................................................................... 104 Figura 2.23. Flip Flop D.................................................................................................................. 106 Figura 2.24. Flip Flop JK ................................................................................................................ 107 Figura 2.25. Flip Flop T .................................................................................................................. 108 Figura 2.27. Registro de desplazamiento ................................................................................... 109 Figura 2.28. Contadores de modulo N......................................................................................... 110 Figura 2.29. Estructura máquina de estados finitos .................................................................. 111 Figura 2.30. Estructura máquina de Moore................................................................................. 112 Figura 2.31. Imposibilidad de tener transiciones simultáneas en más de una señal digital. ............................................................................................................................................................. 115 Figura 2.32. Ejemplo de azar de función..................................................................................... 116 Figura 2.33. Ejemplo de azares lógicos. ..................................................................................... 118 Figura 3.1. Estructuras básicas de un PLD ................................................................................. 122 Figura 3.2. Macrocelda de un GAL22V10................................................................................... 123 Figura 3.3. Estructura típica de un GAL ...................................................................................... 123 Figura 3.4. Representación simplificada de una función.......................................................... 127 .

(18) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . Figura 3.5.Estructura de una PAL ................................................................................................ 128 Figura 3.6.Estructura de una FPLA.............................................................................................. 129 Figura 3.7.Estructura de una PROM............................................................................................ 130 Figura 3.8. Arquitectura Básica de un CPLD .............................................................................. 131 Figura 3.9. Estructura de un Bloque Lógico en dispositivos de las familias MAX340 y MAX5000 ........................................................................................................................................... 133 Figura 3.10. Distribución de Productos en dispositivos de ....................................................... 134 Figura 3.11. Macroceldas de entrada/salida y macroceldas ocultas en dispositivos de la familia FLASH 370 ........................................................................................................................... 135 Figura 3.12. Macrocelda de entrada en dispositivos de la familia FLASH 370..................... 136 Figura 3.13. Arquitectura básica de un FPGA ............................................................................ 137 Figura 3.14. Bloque Lógico Configurable de la familia XC4000 de Xilinx, Inc. ..................... 139 Figura 3.15. Modulo Lógico de la familia ACT3 de Actel Corporation .................................... 139 Figura 3.16. Elemento Lógico de la familia APEX20K de Altera Corporation ....................... 140 Figura 3.18. Circuito detector de transiciones ............................................................................ 144 Figura 3.19. Diagrama de bloques para un FPAA ..................................................................... 145 Figura 3.20. Diagrama de bloques de un PACblock.................................................................. 149 Figura 3.21. Diagrama esquemático del TRAC020 ................................................................... 151 Figura 3.22. Diagrama de bloques básico de un CAB. ............................................................. 152 Figura 3.23. Diagrama de bloques de la matriz del AN10E40 ................................................. 153 Figura 3.24. Diagrama de bloques de los FPAAs ...................................................................... 154 Figura 4.2. Procedimientos de los que consta el diseño de circuitos y sistemas integrados ............................................................................................................................................................. 168 Figura 4.3. Relación entre la especificación y la implementación de un sistema................. 174 Figura 4.4 a) Estrategia de diseño descendente. b) Estrategia de diseño ascendente ...... 175 Figura 4.5. Flujo básico de diseño de un ASIC .......................................................................... 177 Figura 4.6. Pasos en el proceso de diseño de un microprocesador Alpha de Compaq...... 179 Figura 4.7. Arquitectura interna de un microprocesador Alpha de última generación......... 182 Figura 4.8. Fotografía del microprocesador de Alpha presentado en la Figura 4.7............. 184 Figura 4.9. Distribución de los buffers de reloj y análisis del skew de la señal de reloj para todo el chip, en un microprocesador Alpha de última generación........................................... 185 Figura 4.10. Ejemplo de tabla de dedicación de personal a un proyecto .............................. 188 .

(19) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . Figura 5.1. Biestable D sincronizado por flanco basado en una estructura maestro-esclavo ............................................................................................................................................................. 197 Figura 5.2. Descripción mediante un lenguaje tipo SPICE del biestable D de Figura 5.1 .. 198 Figura 5.3. Resultados de una simulación temporal para el biestable D de la Fig. 5.1....... 199 Figura 5.4. a) Macromodelo de un amplificador operacional y b) su descripción en SPICE ............................................................................................................................................................. 199 Figura 5.5. Descripción lógica de un biestable D incorporando información adicional a la función lógica del componente ...................................................................................................... 202 Figura 5.6. Modelo de estructura en VHDL ................................................................................. 206 Figura 5.7. Modelo de concurrencia en VHDL............................................................................ 207 Figura 5.8. Ciclo de simulación VHDL.......................................................................................... 209 Figura 5.9. Determinismo en la simulación VHDL...................................................................... 210 Figura 5.10. Diagrama de la interfaz del semisumador de 2 bits ............................................ 212 Figura 5.11. Programación mediante VHDL ............................................................................... 223 Figura 5.12. VHDL de un biestable D por flanco de subida . 224 . Figura 5.13. Descripción RTL de un multiplicador-acumulador (MAC) .................................. 228 Figura 5.15. Resultados del proceso de síntesis de alto nivel para la resolución numérica mediante el método directo de Euler de una ecuación a) Grafo de flujo de datos , b) datapath y c) FSM que implementa la unidad de control.......................................................... 233 Figura 5.16. Implementación alternativa de la ecuación diferencial con más recursos y menor coste temporal...................................................................................................................... 233 Figura 5.17. Organización de toda herramienta CAD................................................................ 235 Figura 5.18. Dominio de herramientas CAD en un plano nivel de representación-función de la herramienta................................................................................................................................... 237 Figura 6.1. Tarjeta-sonda de test de circuitos integrados. ................................................... 245 Figura 6.2. Dispositivos combinacionales y secuenciales bajo test ................................... 247 Figura 6.3. Mejora de la testabilidad por medio de la introducción de multiplexores .... 249 Figura 6.4. Test serie scan-based .............................................................................................. 250 Figura 6.5. Chequeo de un pipeline usando partial ………………………………………..251 Figura 6.6. Aproximación boundary-scan para el chequeo de circuitos impresos.......... 252 Figura 6.7. Formato general de una estructura BIST............................................................. 253 Figura 6.8. LFSR de tres bits y la secuencia que genera ..................................................... 253 Figura 6.9. Análisis de signatura en una línea de datos de un solo bit ………………………….254 .

(20) . UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CUSO: 299008 – MICROELECTRÓNICA . Figura 6.10. Puerta simple con fallos anotados ...................................................................... 257 Figura 6.11. Red lógica simple con un fallo sa0 en el nodo U............................................. 259 Figura 7.1. Esquema interno de una FPGA ............................................................................. 266 Figura 7.2. Estructura de un bloque de procesamiento (Basic Logic Element, BLE) y un Cluster ............................................................................................................................................... 268 Figura 7.3. Relación interna de áreas dentro de un FPGA................................................... 269 Figura 7.4. Interconexiones programables en una FPGA ..................................................... 270 Figura 7.5. Estructura de bloques de interconexión y bloques lógicos ............................. 271 Figura 7.6. Punto de interconexión formado por 6 transistores de paso .......................... 271 Figura 7.7. Segmentos de interconexión (Xilinx XC4000) .................................................... 272 Figura 7.8. Detalle de los diferentes tipos de interconexiones ............................................ 273 Figura 7.9. Detalle de las interconexiones de una FPGA ..................................................... 274 Figura 7.10. Diagrama de bloques del Stratix II ...................................................................... 277 Figura 7.11. Estructura de un LAB del Stratix II...................................................................... 278 Figura 7.12. Diagrama de un Adaptive Logic Module (ALM) del Stratix II ........................ 278 Figura 7.13. Diferentes configuraciones de un ALM .............................................................. 279 Figura 7.14. Bloque lógico de DSP ............................................................................................ 279 Figura 7.15. Elemento de IO del Stratix II................................................................................. 280 Figura 7.16. Arquitectura jerárquica de una Virtex II ............................................................. 281 Figura 7.17. Configuración de un Slice de un Virtex II .......................................................... 282 Figura 7.18. Diferentes tipos de slices en el Virtex 4............................................................. 283 Figura 7.19. Virtex 4 vista simplificada de un sílice ............................................................... 283 Figura 7.20. Niveles de especificación de un diseño y los diferentes procesos involucrados ..................................................................................................................................... 285 Figura 7.21. Proceso típico de diseño con un HDL ................................................................ 289 Figura 8.1. Diagrama de bloques para un FPAA .................................................................... 292 Figura 8.2. Diagrama de bloques de un PACblock................................................................. 296 Figura 8.3. Diagrama esquemático del TRAC020 .................................................................. 298 Figura 8.4. Diagrama de bloques básico de un CAB. ............................................................ 299 Figura 8.5. Diagrama de bloques de la matriz del AN10E40 ............................................... 300 Figura 8.6. Diagrama de bloques de los FPAAs……………………………………………301 Figura 8.7. Estructura de un filtrode respuesta impulsional finita (FIR)………..............307 .