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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2016.tde-22072016-151343
Documento
Autor
Nome completo
Tiago Oliveira Weber
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Noije, Wilhelmus Adrianus Maria Van (Presidente)
Bampi, Sergio
Chau, Wang Jiang
Petraglia, Antonio
Soares Junior, Joao Navarro
Título em português
Síntese de CIs analógicos em nível de circuito e sistema utilizando métodos modernos de otimização.
Palavras-chave em português
CAD
Circuitos integrados
Otimização global
Resumo em português
Circuitos integrados analógicos são essenciais em sistemas eletrônicos modernos, sendo responsáveis por tarefas como conversão analógica/digital e digital/analógica, comunicação por radiofrequência, filtragem, etc. O projeto deste tipo de circuito e sistema é de grande complexidade uma vez que deve atender a especificações de desempenho cada vez mais exigentes e ter um tempo de projeto reduzido a fim de não comprometer o tempo total dos projetos de sinal misto. Diversas ferramentas são propostas na literatura visando auxiliar o projetista a aumentar sua produtividade. Apesar disso, devido à forte interligação entre etapas, o fluxo de projeto de circuitos integrados analógicos ainda é, tradicionalmente, realizado utilizando-se apenas cálculos manuais e posterior ajuste fino através de softwares de simulação elétrica. Neste trabalho, são estudadas técnicas de síntese de circuitos analógicos utilizando métodos modernos de otimização em nível de circuito e sistema. Após este estudo, é proposto um novo algoritmo de Simulated Annealing/Simulated Quenching, incluindo um mecanismo para utilização do operador de crossover considerando informações de múltiplos objetivos. É realizada a hibridização entre o algoritmo desenvolvido e um algoritmo de Particle Swarm Optimization para criação de um segundo algoritmo capaz de realizar a busca pela fronteira de Pareto. As características dos algoritmos propostos foram elaboradas visando a síntese de circuitos integrados analógicos, no entanto, resultados indicam que eles também têm excelente desempenho em comparação com diversos algoritmos atuais do tipo sem derivada para determinados problemas matemáticos. A generalidade dos métodos modernos de otimização permite que variações da mesma técnica sejam utilizadas em nível de circuito (dimensionamento e polarização de componentes do circuito) e de sistema (tradução de especificações de sistema em especificações de blocos). Dessa forma, são propostas técnicas para a criação de uma ferramenta de síntese em nível de sistema e circuito utilizando métodos modernos de otimização. Uma interface através de arquivos texto de entrada foi desenvolvida para tornar a ferramenta versátil e poder ser utilizada para uma grande variedade de tipos de circuitos eletrônicos. Para validar o algoritmo e a ferramenta na síntese em nível de circuito, foram sintetizados circuitos em tecnologia 0,35 µm, 180 nm e 130 nm. Entre eles, foram sintetizados amplificadores do tipo Miller, amplificadores do tipo folded cascode complementar, amplificadores de baixo ruído operando em 2,45 GHz e fontes de referência. Comparações utilizando o teste não paramétrico de Mann-Whitney-Wilcoxon mostram que o algoritmo proposto tem melhor desempenho que os demais algoritmos comparados para os casos estudados. Comparações com projetos manuais e outras ferramentas confirmam a eficácia dos algoritmos e ferramenta. Para validação da ferramenta em nível de sistema, foram sintetizados filtros do tipo Gm-C.
Título em inglês
Synthesis of analog ICs in circuit and system level using modern optimization methods.
Palavras-chave em inglês
Analog integrated circuits
CAD
Global optimization
Simulated annealing
Resumo em inglês
Analog integrated circuits are very important in modern electronic systems, performing tasks such as analog to digital conversion, digital to analog conversion, radio frequency communication, filtering and others. The design of this type of circuit requires attending to several performance specifications as well as a time specification in order to avoid compromising the overall design time of mixed signal projects. Several tools are proposed in the literature in order to aid the designer, however the traditional design flow for analog integrated circuits is usually accomplished using only hand calculations and adjusts through the use of electrical simulators. In this work, techniques for analog design synthesis for circuit and system level are studied. An optimization algorithm is proposed based on Simulated Annealing/Simulated Quenching with a mechanism for using the crossover operator considering multiobjective information. An hybrid algorithm combining the proposed algorithm with Particle Swarm Optimization was created to properly explore the Pareto front The characteristics of the algorithms are made to enable the synthesis of analog integrated circuits, however, tests indicate they have excellent performance in comparison with many other derivative-free algorithms when applied to certain mathematical problems. The generality of modern optimization methods allow that variations of the same techniques can be used in circuit level (sizing and biasing of circuit components) and in system level (translation of system specifications to block specifications). Therefore, techniques for the creation of a circuit-level and system-level tool are developed. An interface using spice-like text files as inputs is developed to allow the designer to use the tool for a wide range of electronic circuits. In order to validate the proposed algorithms and circuit level tool, circuits were synthesized in 0.35 m, 180 nm and 130 nm. The synthesized circuits included Miller amplifiers, complementary folded cascode amplifiers, low noise amplifiers operating at 2.45 GHz and voltage reference circuits. Comparisons using the non-parametric Mann-Whitney-Wilcoxon test showed that the proposed algorithm has better performance than the compared algorithms for the studied cases. At the system level, syntheses of Gm-C filters were performed to validate the tool.
 
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Data de Publicação
2016-07-25
 
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