Conception en vue de la réutilisation de Circuits Analogiques. Application : Modulateur Delta-Sigma à très Faible Tension

M. Dessouky

LIP6 2001/004: THÈSE de DOCTORAT de l'UNIVERSITÉ PARIS 6 LIP6 / LIP6 research reports
211 pages - Janvier/January 2001 - French document.

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Thème/Team: Architecture des Systèmes Intégrés et Micro-Électronique

Titre français : Conception en vue de la réutilisation de Circuits Analogiques. Application : Modulateur Delta-Sigma à très Faible Tension
Titre anglais : Design for Reuse of Analog Circuits. Case Study: Very Low-Voltage Delta-Sigma Modulator

Résumé : Le fait de pouvoir réutiliser des circuits analogiques pour différents procédés cibles prend de plus en plus d'importance dans la conception des systèmes intégrés actuels. Pour atteindre les meilleures performances en changeant de technologie cible, un des problèmes clés est la prise en compte des dégradations possibles dues aux masques physiques dans la phase de synthèse électrique. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé une nouvelle méthode de conception, basée sur la synthèse analogique prenant en compte le dessin des masques. Cette méthode permet de conserver le savoir-faire pour une réutilisation future tout en assurant une forte intégration entre la phase du dimensionnement électrique et la réalisation physique. Elle garantit le respect des performances attendues, permet d'optimiser certains aspects de la conception en présence de parasites et réduit le temps total de conception en évitant les itérations fastidieuses entre le dimensionnement et les masques. Cette méthode a été mise en oeuvre grâce à deux outils basés sur le savoir-faire, l'un dédié au dimensionnement des circuits analogiques (COMDIAC) et l'autre au dessin des masques (CAIRO). Ces outils permettent de réutiliser de manière efficace la méthode de conception ainsi que le dessin des masques dans le cas de circuits similaires. Pour valider cette approche, nous l'avons appliquée à des circuits basse-tension, basse-consommation. Notre étude a conduit à de nouvelles architectures de circuits qui permettent le fonctionnement sous très basse tension d'un circuit à capacités commutées en technologie CMOS standard. En suivant cette approche, nous avons conçu, fabriqué et testé un modulateur analogique-numérique Delta- Sigma pour des applications numériques audio, fonctionnant sous 1V avec 14 bits de précision. Deux circuits similaires ont été resynthétisés dans une autre technologie cible, montrant ainsi que notre méthode est tout à fait appropriée pour des circuits mixtes analogiques-numériques à hautes performances.

Abstract : Analog design reuse is becoming more and more important in recent system-on-chip designs. In these designs electrical and physical design integration is a challenging problem specially when designing high performance analog circuits in different technologies. To solve this problem, we propose a new design methodology based on a layout-oriented synthesis approach that allows to capture design knowledge for eventual reuse with a close interaction between electrical and physical design. This methodology guarantees the fulfillment of the required performance specifications, permits to optimize various design aspects in the presence of parasitics and shortens the overall design time by avoiding laborious sizing-layout iterations. The methodology has been implemented using two knowledge-based tools dedicated to analog circuit sizing (COMDIAC) and layout generation (CAIRO). The tools allow both the design knowledge and the generated layout to be efficiently reused in similar designs. To validate the previous claims, we have chosen low-voltage low-power analog circuits as an application. Our study has led to new circuit architectures that allow very low-voltage switched-capacitor circuit operation in standard CMOS technologies. Using the above methodology and circuit techniques, we have designed, fabricated, and tested a 1-V 14-bit Delta-Sigma A/D modulator for digital-audio applications. Two similar designs are then resynthesized in another technology demonstrating the suitability of the methodology for very high performance mixed-signal circuits.

Mots-clés : Circuits analogiques réutilisables, Automatisation de la conception analogique, Génération de masques procédurale, Modulation Delta- Sigma, Basse-tension, Capacités commutées

Key-words : Analog Design Reuse, Analog Design Automation, Procedural Layout Generation, Delta-Sigma Modulator, Low-Voltage, Switched-Capacitor

Publications internes LIP6 2001 / LIP6 research reports 2001

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