Elettronica_Oggi_444

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ANALOG/MIXED SIGNAL
LOW POWER
33 - ELETTRONICA OGGI 444 - APRILE 2015
modellazione di questi componenti si è concentrata su que-
sta zona di funzionamento, con una scarsa attenzione sulla
modellazione nello stato di “off”. L’intera regione di funzio-
namento in cui la tensione è compresa tra 0V e Vth non è
quindi modellata in maniera precisa, ragion per cui i modelli
esistenti risultano inadeguati per la progettazione “sub-th-
reshold”, come riportato in figura 2.
2. Commutazioni logiche e rumore
La risposta in uscita di un transistor che opera nella regi-
one sotto-soglia è appena percettibile e il suo rilevamento
richiede un elevato livello di sensibilità. Sebbene le correnti
variino in maniera esponenziale con la tensione, si tratta di
correnti di valore estremamente ridotto. Oltre a ciò, rispetto
ai transistor operanti nella regione sopra-soglia, il rapporto
della corrente nello stato di “on” rispetto a quella nello stato
di “off” di un transistor operante nella regione sotto-soglia
è inferiore di un fattore pari a 1.000 (Fig. 3). Il compito di
rilevare le escursioni logiche risulta ancora più difficile in
presenza di rumore.
3. Sensibilità alle condizioni operative
I progetti di tipo “sub-threshold” sono senza dubbio più sen-
sibili alle variazioni di processo e ambientali rispetto ai pro-
getti “super-threshold” tradizionali. Nella produzione dei se-
miconduttori si utilizzano solitamente i cosiddetti corner lots
(gruppi di wafer modificati “ad hoc” grazie ai quali è possibile
verificare l’affidabilità alle variazioni di processo che statisti-
camente si verificano nel processo di produzione dei wafer
nel corso degli anni). In un corner di processo lento la cor-
rente può essere da 10 a 100 volte inferiore rispetto a quella
del processo nominale. Dato che il rapporto della corrente
negli stati di “on” e di “off” è dell’ordine di un migliaio, non
può essere ignorato.
Le variazioni di temperatura costituiscono un ottimo esem-
pio di come le condizioni ambientali possano comportare
l’insorgere di problematiche per un progettista. Vth dipende
dalla temperatura e Ion dipende in maniera esponenziale da
Vth (si faccia riferimento alla Fig. 4). Quindi il valore della
corrente nello stato di “off” alle alte temperature è simile a
quello della corrente di “on” a temperature inferiori per un
circuito non compensato. In questo caso è necessario uno
sforzo aggiuntivo per assicurare il funzionamento affidabile
di un progetto “sub-threshold” in tutte le condizioni operative
specificate.
4. Problemi logistici
La maggior parte dei flussi di produzione sono basati su ipo-
tesi ragionevoli per i progetti “super-threshold” ma non appli-
cabili per i progetti “sub-threshold”. Un problema tipico è rap-
presentato dai tester utilizzati per validare il silicio durante
la produzione. Le unità PMU (Parametric Measurement Unit)
che hanno il compito di collaudare tensioni e correnti sono
state progettate per misurare correnti dell’ordine dei microA
e non dei nano o dei picoA.
Anche un’operazione semplice come la caratterizzazione
deve essere ripensata in quanto la sensibilità dei circuiti
“sub-threshold” è nettamente diversa da quella dei circui-
ti “super-threshold”. I tradizionali flussi di caratterizzazione
potrebbero non essere abbastanza esaustivi per garantire il
corretto funzionamento dei circuiti in tutte le condizioni pos-
sibili.
La natura innovativa di questi cambiamenti abbinata al fatto
che sono ancora pochi i progettisti in grado di affrontare le
problematiche legate alla progettazione “sub-threshold” dan-
no un’idea delle sfide da affrontare nella commercializzazio-
ne dei circuiti basati su questa tecnologia. n
Fig. 4 – La dipendenza dalla temperatura dei circuiti “sub-threshold” è
di natura esponenziale
Fig. 3 – Il rapporto tra le correnti negli stati di “on” e di “off” è di ordini
di grandezza inferiori nella regione sotto-soglia