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Módulo I Tecnología CMOS Tema 5. Cables Módulo I Tecnología CMOS Tema 1. Tecnologías de diseño microelectrónico. microelectrónico. Tema 2. Diseño digital CMOS. Tema 3. Diseño físico de circuitos CMOS. Tema 4. Diseño de elementos CMOS específicos. Tema 5. Cables. Tema 5 Cables 5.1.- Modelos eléctricos de los cables: – a. cable ideal – b. línea de transmisión. – c. impedancia de una línea de transmisión 5.2.- Líneas de transmisión simples: – – – – a. modelo resistivo b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. d. modelo con atenuación 5.3.- Modelos de coste de las interconexiones 5.4.- Técnicas de medida. 5.1.- Modelos eléctricos de los cables TIPOS DE CABLES – Líneas de comunicació comunicación – Líneas de distribució distribución de alimentació alimentación – Líneas de distribució distribución de reloj IMPORTANCIA – Velocidad : el tiempo requerido para propagar una señ señal a menudo determina el tiempo de ciclo – Alimentació Alimentación: existe gran disipació disipación de potencia debido al cableado – Coste: a dos niveles: Por la cantidad de interconexiones Por la cantidad de terminales del CI 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Fuera del CI: CI: se trata fundamentalmente de lí líneas de transmisió transmisión LC, y deben terminarse adecuadamente para permitir que la señ señal se propague a la velocidad de la luz y se absorba totalmente en el receptor. Las lí líneas muy largas tienen un componente resistivo que produce atenuació atenuación dependiente de la frecuencia (efecto piel) Dentro del CI: CI: fundamentalmente son lí líneas de transmisió transmisión RC que suavizan las señ señales de bordes pronunciados 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Resistencia R=ρ*L/A I Ro ∆ V=R*I Vi Material Plata Cobre Aluminio Tungsteno Vt ρ(Ω-m) Características 1.6 *10 1.7 *10 –8 2.7 *10 –8 5.5*10 –8 muy caro –8 tarjetas impresas CI procesos implican altas T 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Capacidad (C): es un componente que almacena una carga q proporcional a la tensió tensión V aplicada. Es una propiedad entre 2 conductores y depende de la forma y del medio que los separa (dielé (dieléctrico) C=wε/s ε= ε0 εr ε0=8.854 * I ∆V ∆V = ε: permitividad del material 10-12 F/m Material Aire Teflon Dioxido de Si Silicio 1 Idt C∫ s εr 1 2 3.9 11.7 w 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Inductancia (L): (L): es un componente cuya tensió tensión en terminales V es propocional a la relació relación de cambio de la corriente. I ∆V = L dI dt ∆V Si los conductores de una lí línea de transmisió transmisión está están rodeados de un dielé dieléctrico se cumple: CL=µ µ permeabilidad CL=µε En la mayor parte de los casos µ= µ0=4Π =4Π10-7H/m 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Cable ideal: L=0 C=0 R=0 retardo =0 Se trataría por tanto de una región equipotencial. Vo Vo = Vi en un tiempo 0 Vi 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Línea de transmisión Modelo infinitesimal ∂I ∂V = R*I + L ∂t ∂x ∂V ∂I = G *V + C ∂t ∂x ∂ IL ∂V L = L ∂x ∂t ∂ IC ∂V C = C ∂x ∂t ∂ 2V ∂V ∂ 2V = R * G *V + ( R * C + L * G ) + L *C * 2 ∂x 2 ∂t ∂t 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Modelo distribuido: los elementos se distribuyen a lo largo de la longitud de la interconexión, pero no se localizan en una posición fija. ∂ 2V ∂V ∂ 2V = R * G *V + ( R * C + L * G ) + L *C * 2 2 ∂x ∂t ∂t Si suponemos G=0 Ecuación que gobierna la propagación de ondas en una LT ∂ 2V ∂V ∂ 2V = R * C + L * C * ∂x 2 ∂t ∂t 2 Modelo discreto: Tema 5 Cables 5.1.- Modelos eléctricos de los cables: – a. cable ideal – b. línea de transmisión. – c. impedancia de una línea de transmisión 5.2.- Líneas de transmisión simples: – – – – a. modelo resistivo b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. d. modelo con atenuación 5.3.- Modelos de coste de las interconexiones 5.4.- Técnicas de medida. 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Impedancia Z: es la relación entre la diferencia de tensiones entre dos puntos A y B de una red y la intensidad que circula por ese tramo. I A B ZAB = ZAB VA VA − VB I VB Impedancia de una línea infinita: infinita: es la impedancia vista desde el emisor 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Estudio en frecuencia. Transformada de Laplace ∂V L ∂ IL =L ⇒ V L (s) = LsI L (s) ∂x ∂t ∂ IC ∂V C =C ⇒ Ic ( s ) = CsVc(s) ∂x ∂t Vi ( s ) = R * I ( s )dx + LsdxI ( s ) + Vo( s ) = 1 IC ( s ) Cdxs 1 IC ( s ) Cdxs Z L = Ls Zc = 1 Cs 5.1.- Modelos eléctricos de los cables una línea finita terminada adecuadamente con Zt=Z0 se comporta como una línea infinita S=jw 1 Z0 = R * dx + L * dx * s + C * dx * s + Gdx + 1 Z0 1 ) =1 Z0 Z0 2 (Cs + G) − Z0(R + sL)(Cs + G)dx − (R + Ls) = 0 dx → 0 (Z0 − Rdx − sLdx)(Csdx + Gdx + R + Ls Z0 = G + Cs 1 2 Impedancia de una línea infinita 5.1.- Modelos eléctricos de los cables I(s) V(s,x) V(s, x+dx) R + Ls Z0 = G + Cs 1 2 V ( s, x) = V ( s,0)e − x ((G + Cs ) )( R + Ls ) ) 1/ 2 V ( s) = I ( s) * Z 0 V ( s, x) = V ( s,0)e − Ax ∂V V (s) = −( R + Ls ) I ( s ) = ( R + Ls ) 1 ∂x Z0 A = ((G + Cs )( R + Ls ) )2 1 ∂V = ((G + Cs)(R + Ls)) 2 V(s) ∂x A: Cte de propagación. Para una frecuencia dada determina la atenuación con la distancia y el desfase 5.1.- Modelos eléctricos de los cables I(s) Camino de la señal Una línea de transmisión es una red de 4 puertos V(s,x) V(s, x+dx) Retorno de la señal Si un transmisor inyecta una corriente i en el conductor, una corriente –i fluye en la tierra La C es en gran parte la capacidad entre la señal y la tierra La L es fundamentalmente la autoinductancia entre la señal y su retorno 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Modelo discreto El modelo discreto de una línea de transmisión requiere discretizar el espacio y el tiempo. Dicho modelo funciona : – Cuando la frecuencia de resonancia del circuito LC en cada sección es al menos un orden de magnitud mayor que la frecuencia máxima de interés wreson = 1 ∆x LC – Cuando el periodo de muestreo ∆t es pequeñ pequeño comparado con el periodo del circuito resonante ∆t << 2π∆x LC << 2tr 5.1.- Modelos eléctricos de los cables Resumen: ∂ 2V ∂V ∂ 2V = R *C + L *C * 2 ∂x 2 ∂t ∂t R + Ls Z0 = G + Cs 1 2 Ecuación que gobierna la propagación de ondas en una LT Impedancia de una línea infinita 1 V ( s, x) = V ( s,0)e − x ((G + Cs ) )( R + Ls ) )1/ 2 V ( s, x) = V ( s,0)e − Ax A = ((G + Cs)(R + Ls))2 A:Cte de propagación. Tema 5 Cables 5.1.- Modelos eléctricos de los cables: – a. cable ideal – b. línea de transmisión. – c. impedancia de una línea de transmisión 5.2.- Líneas de transmisión simples: – – – – a. modelo resistivo b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. d. modelo con atenuación 5.3.- Modelos de coste de las interconexiones 5.4.- Técnicas de medida. 5.2.- Líneas de transmisión simples a. modelo resistivo Un cable corto puede modelarse como una resistencia si distribuye cantidades substanciales de corriente contínua. contínua. Por ejemplo las líneas de alimentación dentro del chip. El problema de estos cables resistivos es la caida IR a través del cable Z fuente Ro Zdestino Vi Ej. Un cable de A=0.6*0.6 µm2 ρ=0.07 Ω/square L=5mm R=0.07*5*10-3/0.6*.10-6=583 Ω Si I=0.5mA IR≅300mV 5.2.- Líneas de transmisión simples b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo Líneas de transmisión RC: pueden utilizarse para cables largos dentro del chip Solución de la ec. de difusión ∂ 2V ∂V ∂ 2V = R * C + L * C * ∂x 2 ∂t ∂t 2 ∂ 2V ∂V = R *C 2 ∂x ∂t Ecuación de difusión f = C1e R fuente t ± A x +C 2 A RC + C3 Ro C Rdestino Vi En un modelo discreto, para una entrada escalón tenemos Vo = Vi (1 − e − t RC ) 5.2.- Líneas de transmisión simples La señal se difunde por la línea y los bordes se dispersan con la distancia Retardo ≅ RC Como regla general se suele tomar td=0.4 d2 RC tr=d2 RC Para un cable típico R=0.12Ω/µm C=0.16fF/µm RC≅2*10-17 s/µm2 l=10mm td=0.8ns tr=2ns Hay una gran degradación del tr. Una pequeña cantidad de ruido puede dar lugar a un gran desplazamiento de la señal (skew, jitter) 5.2.- Líneas de transmisión simples ¿Qué ocurre a baja frecuencia para líneas con una L significativa? – Por debajo de fo=R/2 ΠL la lí fo=R/2Π línea se comporta como una lí línea RC dispersiva – Esto suele ocurrir entre 10KHz y 1MHz. – El comportamiento dispersivo a bajas frecuencias causa interferencias interferencias entre sí símbolos. – Solució Solución: eliminar las componentes inferiores a fo Tema 5 Cables 5.1.- Modelos eléctricos de los cables: – a. cable ideal – b. línea de transmisión. – c. impedancia de una línea de transmisión 5.2.- Líneas de transmisión simples: – – – – a. modelo resistivo b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. inductivo. d. modelo con atenuación 5.3.- Modelos de coste de las interconexiones 5.4.- Técnicas de medida. 5.2.- Líneas de transmisión simples – c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. Líneas de transmisión LC: pueden utilizarse para cables largos fuera fuera del chip ∂ 2V ∂V ∂ 2V * * * L C R C + = ∂t 2 ∂t ∂x 2 ∂ 2V ∂ 2V * * L C = ∂t 2 ∂x 2 Ecuación de ondas 5.2.- Líneas de transmisión simples Solución de la ecuación de ondas: Vf(x, Vf(x, t)=V(0, tt-x/v) x/v) Vr(x, Vr(x, t)=V(xmax t)=V(xmax,, tt-(xmaxxmax-x)/v) x)/v) No hay distorsión Impedancia de la línea v= 1 1 1 = =c LC εoεrµo εr R + Ls Z0 = G + Cs 1 2 ≅ L C La línea se comporta como un resistor If(x, If(x, t)=Vf(x t)=Vf(x,, t)/Zo t)/Zo Ir(x, t)=t)=-Vr(x, Vr(x, t)/Zo t)/Zo Valores típicos: Independiente de la longitud de la línea y de la frecuencia aplicada –Cable coaxial Z0=50Ω =50Ω –Par trenzado Z0=100Ω =100Ω 5.2.- Líneas de transmisión simples ¿Qué ocurre en el driver? driver? Suponemos Vc=0 y una línea infinita Primera onda incidente Recordar: una línea finita x terminada adecuadamente con VT (t − ) v Zt=Z0 se comporta como una Vi( x, t ) = *Z0 línea infinita Z 0 + R0 5.2.- Líneas de transmisión simples ¿Qué pasa en el receptor? El voltaje en circuito abierto es 2Vi. La razón es que si reemplazamos ZT con otra sección de impedancia Zo, la Z que se ve desde el emisor es Zo y la intensidad que pasa por la carga es IT=Vi/Zo y VT=Vi. Para que esto se mantenga Veq=2Vin 5.2.- Líneas de transmisión simples 2Vi Z0 + ZT Ir = If − IT IT = If = Vi Z0 Vi 2Vi Vi ZT − Z0 ( ) − = Z0 Z0 + ZT Z0 ZT + Z0 Ir Vr ZT − Z0 Kr = = = If Vi ZT + Z0 Ir = Ecuación del Telégrafo 5.2.- Líneas de transmisión simples Kr = ZT − Z 0 ZT + Z 0 A.- ZT=Z0 Circuito bien terminado. Vr=0. Vr=0. La onda se absorbe completamente. VB=Vi LT infinita B.- ZT=∞ Circuito abierto. Vr=Vi. La onda se refleja por completo. VB=Vi+Vr=2Vi C. ZT=0 Cortocircuito. Vr= - Útil para drivers con mucha impedancia de salida Vi VB=0 Útil para generar pulsos cortos 5.2.- Líneas de transmisión simples En el caso general puede haber múltiples reflexiones (según esté terminada la fuente) lo cual es una fuente de ruido e interferencias entre símbolos. VA(0)=VT/2 VB(td)=2VA=VT VA(2td)=VT 5.2.- Líneas de transmisión simples KrT = Para una terminación arbitraria en fuente y receptor ZT − Z 0 ZT + Z 0 Krs = Zs − Z 0 Zs + Z 0 Valores típicos de un driver CMOS 8mA con 1K Ω de pullup Z0=50Ω ZT=1K Ω KrT=0.9 KrS=0.78 ZS=400 Ω td=4ns Para alcanzar 95% hacen falta 16 viajes (64ns) 5.2.- Líneas de transmisión simples 5.2.- Líneas de transmisión simples Resumen Resistencia discreta Cables de alimentación del chip Líneas RC Cables largos dentro del chip Líneas de transmisión LRC para frecuencias inferiores a f0=R/2πL Líneas LC Líneas largas fuera del chip con R muy pequeña Tema 5 Cables 5.1.- Modelos eléctricos de los cables: – a. cable ideal – b. línea de transmisión. – c. impedancia de una línea de transmisión 5.2.- Líneas de transmisión simples: – – – – a. modelo resistivo b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. d. modelo con atenuación 5.3.- Modelos de coste de las interconexiones 5.4.- Técnicas de medida. 5.2.- Líneas de transmisión simples Ecuaciones válidas para cualquier LT ∂ 2V ∂V ∂ 2V = R *C + L *C * 2 ∂x 2 ∂t ∂t R + Ls Z0 = G + Cs 1 2 Ecuación que gobierna la propagación de ondas en una LT Impedancia de una línea infinita 1 V ( s, x) = V ( s,0)e − x ((G + Cs ) )( R + Ls ) )1/ 2 V ( s, x) = V ( s,0)e − Ax A = ((G + Cs)(R + Ls))2 A:Cte de propagación. 5.2.- Líneas de transmisión simples Líneas de transmisión LRC con pérdidas: en líneas muy largas no se puede despreciar la resistencia de los conductores ni la conductancia de los dieléctricos La onda viajera se atenúa La respuesta es un híbrido entre la onda viajera de la línea LC y la respuesta difusiva de la RC El efecto pelicular (skin (skin effect) effect) causa que la R aumente con la frecuencia La absorción del dieléctrico causa que G aumente con la frecuencia frecuencia Por tanto la atenuación es mayor para altas frecuencias 5.2.- Líneas de transmisión simples S=jw V ( s, x) = V ( s,0)e − x ((G +Cs ) )( R + Ls ) ) 1/ 2 Vi ( x) = Vi (0)e − x ((G + jwC ) )( R + jwL ) ) 1/ 2 V ( s, x) = V ( s,0)e − Ax 1 A = ((G + jwC )( R + jwL) )2 Si se puede despreciar R y G Vi ( x) = Vi (0)e − jwx LC Es la onda inicial desplazada 5.2.- Líneas de transmisión simples Si R y G son pequeñas, pero no despreciables, para altas frecuencias 1/ 2 ción Vi ( x) = Vi (0)e − x ((G + jwC ) )( R + jwL ) ) aria V fase Vi ( x) = Vi (0)e − Ax 1 ( A = ((G + jwC )( R + jwL) )2 = (GR − w2 LC + jwCR + jwLG ) ( A ≅ (− w LC + jwCR + jwLG ) 2 Por Taylor A ≅ jw LC + ) 1 2 ) 1 2 1 RC + GL 2 = jw LC 1 − j wLC R GZo + 2 Zo 2 Pérdida amplitud Zo = L C 5.2.- Líneas de transmisión simples A ≅ jw LC + αR = R 2Zo Vi(x) −(αR +αD)x =e Vi( 0 ) R GZo + 2 Zo 2 Factor debido a la resistencia del conductor αD = G Zo 2 Factor debido a la pérdida del dieléctrico En la mayor parte de las LT G≅0 La respuesta en estado estacionario se atenúa en Vi(x) una cantidad proporcional longitud −αRx Vi( 0 ) =e 5.2.- Líneas de transmisión simples Un modelo de línea de longitud d (Rd=R*d) En estado estacionario (DC) VT Z0 Rd + Z 0 VDC(d) Zo 1 = = VT Rd + Z 0 2αRd + 1 VDC(d) = I*Zo = Como el gradiente debe ser cte en estado estacionario VDC(x) 2αRx = 1− VT 2αRd + 1 + Rd Z0 VT - αR = R 2Zo 5.2.- Líneas de transmisión simples La combinación de la respuesta difusiva y la onda viajera se muestra en la siguiente figura: es la respuesta a un escalón de una línea LRC El escalón en cada punto tiene una amplitud Vi(x) = e −αrx Vi( 0 ) La respuesta es dispersiva, debido a que la respuesta de la línea depende de la frecuencia 5.2.- Líneas de transmisión simples ¾Sobre la frecuencia de corte fo=R/2 ΠL la línea se fo=R/2Π comporta como una línea LC con una atenuación fija por unidad de longitud ¾Por debajo de f0, la línea es como una línea RC con una respuesta filtro paso baja que cae linealmente con la frecuencia L=5mm R=7Ω/m L=300nH/m F0=R/2ΠL=3.7MHz Tema 5 Cables 5.1.- Modelos eléctricos de los cables: – a. cable ideal – b. línea de transmisión. – c. impedancia de una línea de transmisión 5.2.- Líneas de transmisión simples: – – – – a. modelo resistivo b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. d. modelo con atenuación 5.3.- Modelos de coste de las interconexiones 5.4.- Técnicas de medida. 5.3.-Modelos de coste de las interconexiones ¾Los cables son un factor muy importante en el coste final del CI ¾Se necesitan modelos ¾Limitaciones Número de pistas disponibles Número de pines del siguiente nivel de jerarquía Coste en área En ocasiones el área de una función está determinado por el interconexionado BSC (Celda básica de almacenamiento) 6 transistores W palabras P2+P pistas cuadradas B bits P puertos de L/E Nº transistores 6+P Nº pistas (sin contar la de BSC) P horizontales P+1 verticales 5.3.-Modelos de coste de las interconexiones Coste para diferentes niveles de un sistema Importancia de la integración Coste de los terminales Si un chip o una tarjeta está limitada por el número de pines, el coste dominante es el coste de los terminales o pines Para P pads área=(P* χ/4)2=P2 χ2/16 Ej. Un chip de P=500 χ=125µm área=2.5 *102mm2 Si la lógica del chip es simple la mayor parte del área no se utiliza 5.3.-Modelos de coste de las interconexiones Los empaquetamientos también son caros: ¾Plástico: h. 352 pines $0.01 por pin Pobres propiedades eléctricas Alimentación limitada ¾Cerámica: mayor número de pines $0.1 por pin Las tarjetas también pueden estar limitadas por número de pines, pero de momento es menos dramático que los CIs. Además, en las tarjetas el área no utilizada no resulta tan cara. El coste viene determinado por el conector $0.01 /pin Tema 5 Cables 5.1.- Modelos eléctricos de los cables: – a. cable ideal – b. línea de transmisión. – c. impedancia de una línea de transmisión 5.2.- Líneas de transmisión simples: – – – – a. modelo resistivo b. modelo resistivo– resistivo–capacitivo c. modelo capacitivo– capacitivo–inductivo. d. modelo con atenuación 5.3.- Modelos de coste de las interconexiones 5.4.- Técnicas de medida. 5.4.-Técnicas de medida Las LT son suficientemente complicadas para que las ecuaciones vistas para R, C y L no modelen adecuadamente la línea. En la práctica los ingenieros construyen modelos eléctricos en 3 pasos: – 1.1.- Se realiza un modelo físico con los componentes de la línea – 2.2.- Se usa software de CAD para resolver numéricamente las ecuaciones ecuaciones de Maxwell, lo cual permite extraer los parámetros eléctricos del del modelo físico. – 3.3.- Se valida el modelo en el laboratorio. La validación puede hacerse hacerse 1.1.- En el dominio del tiempo: se necesita un reflectómetro 2.2.- En el dominio de la frecuencia: se necesita un analizador de red 5.4.-Técnicas de medida Dominio del tiempo :Reflectómetro – Un TDR (Time –domain reflectómetro) es un generador de ondas escalón y un osciloscopio como se muestra en la figura) Sirve para medir la respuesta de la fuente Sólo requiere acceso a un lado Se usa fundamentalmente para detectar discontinuidades Vini=0.5V 5ns 20% se refleja 10ns llega la onda reflejada Vini=1.2*0.5=0.6v la onda llega al final de la línea y se refleja Cada 10ns el voltaje residual se reduce un 80% 5.4.-Técnicas de medida Midiendo cada cuanto se observa un incremento/decremento y la proporción de este, se puede calcular la posición de discontinuidades y la impedancia de las mismas Ejemplos de discontinuidades τC=ZoC/2 τL=L/2Zo 5.4.-Técnicas de medida Así colocado puede medirse la onda incidente y la receptora. A partir de la FT=V2(jw )/V1(jw jw)) puede calcularse la onda FT=V2(jw)/V1( recibida para cualquier entrada 5.4.-Técnicas de medida Colocándolo de esta forma permite medir el crosstalk indicente y reflejado 5.4.-Técnicas de medida Medidas de transmisión, reflexión, impedancias Dominio de la frecuencia: Analizador de red Conjunto de test Detector de onda recibida Cálculo y muestra de resultados Red Generador de ondas Permite realizar medidas de desfase muy sensibles desde varios canales de entrada La frecuencia de salida puede barrer la banda de frecuencias de interés Caja de interconexiones configurable 5.4.-Técnicas de medida Herramientas CAD para caracterizar cables – Hojas de cálculo: cálculo de impedancias características de diferentes layers – Calculadores de campos electromagnéticos 2D –líneas infinitasinfinitas(HSPICE) – Paquetes software de integridad de señal. Permiten calcular interferencias en distintas líneas extrayendo los datos del layout layout – Calculadores de campos electromagnéticos 3D: necesarios para frecuencias superiores a los 100Mb/s. Es un tema de investigación investigación actual