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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2017.tde-26012017-085719
Documento
Autor
Nome completo
Paulo Roberto Bueno de Carvalho
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2016
Orientador
Banca examinadora
Noije, Wilhelmus Adrianus Maria Van (Presidente)
Horta, Edson Lemos
Chau, Wang Jiang
Título em português
Projeto de circuito oscilador controlado numericamente implementado em CMOS com otimização de área.
Palavras-chave em português
Circuitos digitais
Circuitos integrados
CMOS
CORDIC
Espectroscopia
Linguagem de descrição de hardware
Oscilador controlado numericamente
Otimização
RTL
Técnicas de codificação
Resumo em português
Este trabalho consiste no projeto e implementação em CMOS de um circuito integrado digital para geração de sinais, denominado Oscilador Controlado Numericamente. O circuito será aplicado em um sistema de Espectroscopia por Bioimpedância Elétrica, utilizado como método para detecção precoce de câncer do colo do útero. Durante o trabalho, realizou-se o estudo dos requisitos do sistema de espectroscopia e as especificações dos tipos de sinais a serem gerados. Levantou-se, na bibliografia, algumas técnicas de codificação em linguagem de hardware para otimização do projeto nos quesitos área, potência dissipada e frequência máxima de funcionamento. Para implementar o circuito, também se pesquisou o fluxo de projeto de circuitos digitais, focando as etapas de codificação em linguagem de descrição de hardware Verilog e os resultados de síntese lógica e de layout. Foram avaliadas duas arquiteturas, empregando-se algumas das técnicas de codificação levantadas durante o estudo bibliográfico. Estas arquiteturas foram implementadas, verificadas em plataforma programável, sintetizadas e mapeadas em portas lógicas no processo TSMC 180 nm, onde foram comparados os resultados de área e dissipação de potência. Observou-se, nos resultados de síntese lógica, redução de área de 78% e redução de 83% na dissipação de potência total no circuito em que se aplicou uma das técnicas de otimização em comparação com o circuito implementado sem otimização, utilizando uma arquitetura CORDIC do tipo unrolled. A arquitetura com menor área utilizada - 0,017 mm2 - foi escolhida para fabricação em processo mapeado. Após fabricação e encapsulamento do circuito, o chip foi montado em uma placa de testes desenvolvida para avaliar os resultados qualitativos. Os resultados dos testes foram analisados e comparados aos obtidos em simulação, comprovando-se o funcionamento do circuito. Observou-se uma variação máxima de 0,00623% entre o valor da frequência do sinal de saída obtido nas simulações e o do circuito fabricado.
Título em inglês
Design of a circuit numerically controlled oscilator implemented in CMOS with area optimization.
Palavras-chave em inglês
CMOS
CORDIC
Digital integrated circuits design
Electrical bioimpedance spectroscopy
Encoding techniques
Hardware language description
Numerically controlled oscillator
Optimization
RTL
Resumo em inglês
The aim of this work is the design of a digital integrated circuit for signal generation called Numerically Controlled Oscillator, designed in 180 nm CMOS technology. The application target is for Electrical Bioimpedance Spectroscopy system, and can be used as a method for early detection of cervical cancer. Throughout the work, the spectroscopy system requirements and specifications of the types of signals to be generated were studied. Furthermore, the research of some coding techniques in hardware language for design optimization in terms of area, power consumption and frequency operation was conducted looking into the bibliography. The digital design flow was studied focusing on the Verilog hardware description language and the results of logic synthesis and layout, in order to implement the circuit. Reviews of two architectures have been made, using some of the encoding techniques that have been raised during the bibliographical study. These architectures have been implemented, verified on programmable platform, synthesized and mapped to standard cells in TSMC 180 nm process, which compared the area and total power consumption of results. Based on the results of logic synthesis, a 78% area reduction and 83% power consumption reduction were obtained on the implemented circuit with encoding techniques for optimization in comparison with the another circuit using a CORDIC unrolled architecture. The architecture with smaller area - 0.017 mm2 - was chosen for implementation in the mapped process. After the circuit fabrication and packaging, the chip was mounted on an evaluation board designed to evaluate the functionality. The test results were analyzed and compared with the simulation results, showing that the circuit works as expected. The output signals were compared between theoretical and experimental results, showing a maximum deviation of 0.00623%.
 
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Data de Publicação
2017-01-27
 
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