¿Qué es el diseño de circuitos integrados analógicos?

En este artículo, echaremos un vistazo de alto nivel al proceso de diseño de circuitos integrados analógicos.

Diseño de circuitos integrados analógicos frente a diseño de circuitos integrados digitales

El diseño de circuitos integrados analógicos difiere en gran medida del diseño de circuitos integrados digitales. Mientras que el diseño de circuitos integrados digitales se realiza principalmente a un nivel abstracto con sistemas y procesos que determinan los detalles de la colocación y el enrutamiento a nivel de puerta/transistor, el diseño de circuitos integrados analógicos generalmente implica un enfoque más personalizado en cada circuito, e incluso el tamaño y los detalles de cada transistor.

Además, muchos procesos de fundición se desarrollan principalmente para circuitos integrados digitales con características analógicas, lo que obliga a los diseñadores de circuitos integrados analógicos a trabajar con restricciones de proceso y características más adecuadas para los circuitos integrados digitales.

Imagen utilizada por cortesía de Rony B Chandran

Especificación de diseño

Los equipos de diseño analógico suelen comenzar con un conjunto de especificaciones y características, de forma muy similar al diseño de circuitos integrados digitales. A partir de ahí, se utilizan modelos funcionales de las distintas funciones para reducir aún más las restricciones y tomar decisiones sobre el tamaño, el tipo y otras características del proceso del dispositivo. Esto puede incluir la selección de transistores, la planificación de alto nivel, la inclusión de tecnologías de inductores y condensadores, y la figura de mérito deseada para el CI y los subcircuitos.

El lenguaje de descripción de hardware de la arquitectura (AHDL), como VHDL-AMS, se utiliza para realizar simulaciones a altos niveles y determinar las restricciones de los subbloques. En esta etapa también se puede desarrollar un banco de pruebas que se utiliza posteriormente en la simulación, aunque los diseñadores analógicos también suelen desarrollar bancos de pruebas para sus diseños de subcircuitos.

Diseño de subcircuitos, disposición física y simulación

Con estos detalles y dependiendo de la complejidad del circuito analógico, los equipos de diseño analógico suelen asignar el diseño de subcircuitos a personas. Se realizan mediciones idealizadas a nivel macro que determinan aún más las restricciones y las expectativas de rendimiento de los subcircuitos.

A continuación, estos macroesquemas se descomponen en esquemas con elementos de circuito modelados a partir del proceso de fundición. Se realiza la simulación y la optimización de estos circuitos y, a continuación, comienza el proceso de diseño físico. La colocación y el enrutamiento, seguidos de la comprobación de las reglas de diseño (DRC) y la comparación del diseño con el esquema, se llevan a cabo antes de la extracción de parásitos y de la simulación posterior al diseño.

La simulación posterior al diseño puede revelar fallos en el diseño y puede ser necesario un proceso iterativo de rediseño, diseño y simulación para alcanzar los objetivos finales del diseño y presentar el CI para su fabricación. Los subcircuitos también pueden someterse a su propio proceso de diseño, maquetación y simulación antes de la maquetación y simulación de todo el chip, aunque cualquiera de los dos enfoques puede llevar a la necesidad de rediseñar los circuitos antes del tape-out.

Ejemplo de una ventana de forma de onda del Cadence Analog Design Environment. Captura de pantalla utilizada por cortesía de Saad Rahman y Chintan Patel a través de la Universidad de Maryland Baltimore County

Niveles de abstracción analógica

A continuación se muestran los niveles de abstracción del proceso de diseño de circuitos integrados analógicos:

1. Funcional
2. Comportamiento
3. Macro
4. Circuito
5. Transistor
6. Diseño físico

Flujo de diseño de CIs analógicos

Los pasos asociados específicamente al diseño de CIs analógicos pueden desglosarse de la siguiente manera:

• Especificación del diseño
  • Especificaciones
  • Restricciones
  • Topologías
  • Desarrollo del banco de pruebas
• Flujo esquemático
  • Entrada esquemática denivel de sistema
  • Simulación de arquitectura HDL
  • Especificación de bloques HDL
  • Circuito
  • Simulación y optimización del circuito
• Flujo físico
  • Introducción de diseño basado en PCellbasado en PCell
  • Comprobación de reglas de diseño (DRC)
  • Diseño frente a esquema (LVS)
  • Extracción parasitaria
  • Simulación posterior al diseño
  • Tape-out

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