Desarrollo de una herramienta web para el cálculo de bobinas integradas

Desarrollo de una herramienta Web para el cálculo de bobinas

integradas

Autor: Zulima Fernández GutiérrezTutores: Dr. D. Javier del Pino Suárez

Dr. D. Roberto Díaz Ortega

Índice

• Introducción• Inductores integrados• Modelo paramétrico• Tecnología UMC 0.18 μm • El formato CIF• Entorno de desarrollo XAMPP• Herramienta SW• Conclusiones y líneas futuras• Presupuesto

Introducción

• Desarrollo para las comunicaciones inalámbricas

• Terminales de acceso pequeños, baratos, de bajo consumo de potencia y de producción masiva

• Circuitos híbridos circuitos integrados monolíticos

Introducción

• Mejora no tan evidente en dispositivos pasivos como activos

• Inductores, elemento crítico en circuitos RF

• Elementos fundamentales en rx RF• Adaptación de impedancias• Implementación de tanques LC en osciladores• Polarización de txt en LNA

Introducción

• Empresas ofrecen una librería de inductores ya definidos

• Modelo circuital escalable, conjunto de componentes discretos, en lugar de librería

• Objetivo: desarrollar una herramienta para el cálculo de inductores integrados

Introducción

• Antecedente: sw I-MODEL- Desarrollado en MATLAB y basado en modelo paramétrico

- Cálculos:

- Elementos del circuito equivalente

- Geometría de la bobina con mayor Q

- Inconveniente: instalación previa de MATLAB

Introducción

• Objetivo: aplicación basada en la Web 2.0

• Ventajas: – Compatibilidad multiplataforma

– Inmediatez de acceso – Menores requisitos de memoria – Portables, independientes del dispositivo

Introducción

• Tarea adicional:– Generar el trazado físico de una bobina,

eligiendo nº lados y dirección de rotación layout

• Objetivo final:

Integrar funciones del I-MODEL + generador de layouts, implementado todo ello en lenguaje PHP y accesible desde una página Web

Índice


Inductores integrados

• Componente pasivo, almacena energía en forma de campo magnético

• Inductancia y el factor de calidad

⋅Π=

disipadaEnergía

almacenadaEnergíaQ

_

_2


• Factor de calidad

– En la práctica:

−⋅Π=ciclounendisipadaEnergía

eléctricapicodeEnergíamagnéticapicodeEnergíaQ

____

______2

)Re(

)Im(

11

11

Y

YQ −=


• Modelo clásico de dos puertos


• Campos electromagnéticos– B(t) corrientes inducidas en pistas y sustrato


• Campos electromagnéticos– E1(t) corriente de conducción pérdidas

óhmicas en las pistas


• Campos electromagnéticos– E2(t) y E4(t) capacidades parásitas Fres


• Campos electromagnéticos– E3(t) acoplamiento capacitivo y pérdidas ohmnicas


• Pérdidas en las pistas– Efecto pelicular (skin efect)

• f redistribución de

la corriente δ

•Concentración en los bordes

•Aumento de la resistencia

•Despreciado para metales finos


• Corrientes de torbellino (eddy currents)

Bprincipal

I

Itorbellino

Pistas interiores

Distribución no uniformede la corriente

I en el interior

I en el exterior Resistenciaserie f


• Pérdidas en el sustrato

– Corrientes de torbellino

Ó x i d o

• ⊗ I- I

B ( t )

Si⊗

⊗ • •

I s u s - I s u s

f

Índice


Modelo paramétrico

• Basado en modelo clásico de circuito equivalente• Ecuación para cada elemento unitario

Modelo paramétrico

• Inductancia

2 20

22 14eK n a

Lr a

µ× × ×≈× − ×

Modelo paramétrico

• Resistencia serie

sin

2 cosS

t tshl

Rt tw ch

δ δσ δ

δ δ

+=

× × × −

Modelo paramétrico

• Capacidad paralela

2

5 6

uPU

oxM M

n wC

tε

−

×= ×

t mPT

l tC

sε×= ×

25 6

5 6

u t m oxM MP

oxM M

n w s l t tC

t sε−

−

× × + × ×= ××

Modelo paramétrico

• Rama del sustrato

ox

Cox w lt

ε= × ×

0sub r

AC

tε ε= × ×

sub sub

tR

Aρ= ×

Modelo paramétrico

• Ecuaciones implementadas en un único algoritmo desarrollado en PHP y recogido en:– calculo_parametros_1f.php– calculo_parametros.php– calculo_parametros_barrido.php RF

Modelo paramétrico

• Cálculo la inductancia y factor Q

fext wY

L⋅

−=)Im(

1

11

pfsfs

CjwLjwR

Y ++

= 111

11

1

1111

111

1

subsubf

oxf

RCjwCjw

YY

++

+=

)Re(

)Im(

11

11

Y

YQ −=

Modelo paramétrico

• Modelo redefinido para uso de 2 metales en pararelo– Aumento de sección efectiva de metal,

disminuye la resistencia, mejora Q– Asume nuevas distancias y parámetros– Implementado en:

• calculo_parametros_1f.php

• calculo_parametros.php

• calculo_parametros_barrido.php RF

Modelo paramétrico

• Determinar geometría que maximiza el factor de calidad Q Buscador _Maximo_Q.php

1- Fijar inductancia, tolerancia, frecuencia y número de metales

2- Búsqueda de combinaciones w, n y r3- Llamada a calculo_parametros_1f matriz

de parámetros 4- Búsqueda máximo factor Q calculado

Modelo paramétrico

• calculo_parametros.php Obtener elementos unitarios, L y Q a partir de valores geométricos y frecuencia

• calculo_parametros_barrido.php gráficas de L y Q en RF para una geometría dada

Índice


Tecnología UMC 0.18 μm

• Modelo para señal mixta/RFCMOS

• Herramienta abierta a otras tecnologías


• Sustrato semiconductor

279.4 µm

736.6 µm


279.4 µm

0.48 µm

0.56 µm

0.56 µm

0.56 µm

0.56 µm

0.88 µm


• M6

• M6+M5

• Underpass

0.48 µm

0.56 µm

0.56 µm

0.56 µm

0.56 µm

2 µm

Índice


El formato CIF

• Formato CIF– Conjunto de primitivas gráficas – Base del sistema de coordenadas: 100 u/micra – Declaraciones geométricas:

• LAYER (L) • WIRE (W) • ROUNDFLASH (R)• CALL (C)

– Declaraciones de control• DS • DF• END (E)

El formato CIF

• Ejemplo del contenido de un archivo

DS 1 1 1;

L MET6; W 1000 0,6625 5055,6625 8133,-2848 -196,-8900 -8795,-2652 -5407,7775 5891,7775 9485,-3288 -196,-10321 -10147, -3091 -6243,8925 6726,8925 10837,-3727 0,-11601;

L M6_M5; R 1000 0,6625;

L MET5; W 1000 0,6625 0,10425;

DF; C 1; E

El formato CIF

• Layout

generado

Índice


Entorno de desarrollo XAMPP

• Aplicaciones Web

• Entorno multiplataforma

• Apache + MySQL + PHP + Perl

• Licencia GNU

• Instalación locahost

Entorno de desarrollo XAMPP

• Panel de control de XAMPP

Índice


Herramienta software

• Basada en modelo paramétrico

• PHP, lado del servidor

• HTML, lado del cliente

Herramienta software• Interfaz principal


• Intercambio de datos cliente -servidor:• Ajax• jQuery

<script type="text/javascript">

$(document).ready(function(){

$('#form1').submit(function(){

$.ajax ({….

}); return false; });

});


$.ajax ({

type:"POST",

url:"http://localhost/imodel/Buscador_Maximo_Q.php",

data:"f="+$('#f').val()+"&ind="+$('#ind').val()+"&tol="+$('#tol').val()+ "&N_metales="+$('#N_metales').val(),

success:function(datos){

var obj = jQuery.parseJSON(datos); $('#L_calc').val(obj[0].L_calc); $('#Q_calc').val(obj[0].Q_calc);

… }});

Herramienta software• Interfaz principal

Herramienta Software

• Interfaz de parámetros tecnológicos


• Gráficas L y Q en la banda RF


• Interfaz de ayuda


• Algoritmos


• Algoritmos– Botón Search maximum Q

• Buscador_Maximo_Q.php» calculo_parametros_1f.php

– Botón Calculate model parameters • calculo_parametros.php

– Botón Represent L and Q • calculo_parametros_barrido.php


• Algoritmos– Botón Genetare CIF

• Espiras.php

– Interfaz Technological Parameters Save• parametros.php

Mensajes error

Índice


Conclusiones

• Herramienta desarrollada:– Dibuja inductancias sin preocuparse de

medidas físicas :

• Dimensiones y modelo equivalente del inductor óptimo

• Modelo equivalente para una geometría dada

• Trazado de la bobina layout

• Gráficas L y Q en RF

Conclusiones

• Herramienta desarrollada:

– Entorno Web

– Herramienta versátil

– Opción de 1 ó 2 metales en paralelo

Líneas futuras

• Layout usando las dos capas superiores en paralelo

• Cálculo de inductores multicapa

• Estudio de estructuras alternativas

• Estudio de otros modelos equivalentes

• Generación de librerías basadas en simulación para UMC 0.18 μm u otras tecnologías.

Índice


Presupuesto

Descripción Gastos (€)

Costes de recursos humanos 43130.88

Costes de software y hardware 514,02

Otros costes 161

PRESUPUESTO FINAL 43805,9

TOTAL (I.G.I.C 5%) 45996,20

Desarrollo de una herramienta Web para el cálculo de bobinas

integradas

Autor: Zulima Fernández GutiérrezTutores: Dr. D. Javier del Pino Suárez

Dr. D. Roberto Díaz Ortega

IMODEL 2.0

http://en.iuma.ulpgc.es/imodel/interfaz.html

Desarrollo de una herramienta web para el cálculo de bobinas integradas

Investor Relations