1. Desarrollo de una herramienta
Web para el cálculo de bobinas
integradas
Autor: Zulima Fernández Gutiérrez
Tutores: Dr. D. Javier del Pino Suárez
Dr. D. Roberto Díaz Ortega

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. Introducción
• Objetivo: aplicación basada en la Web 2.0
• Ventajas:
– Compatibilidad multiplataforma
– Inmediatez de acceso
– Menores requisitos de memoria
– Portables, independientes del dispositivo

8. 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

9. 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

10. Inductores integrados
• Componente pasivo, almacena energía
en forma de campo magnético
• Inductancia y el factor de calidad
 Energía _ almacenada 
Q = 2Π ⋅ 
 Energía _ disipada 

11. Inductores integrados
• Factor de calidad
 Energía _ de _ pico _ magnética − Energía _ de _ pico _ eléctrica 
Q = 2Π ⋅  
 Energía _ disipada _ en _ un _ ciclo 
– En la práctica: Im(Y11 )
Q=−
Re(Y11 )

12. Inductores integrados
• Modelo clásico de dos puertos

13. Inductores integrados
• Campos electromagnéticos
– B(t)  corrientes inducidas en pistas y sustrato

14. Inductores integrados
• Campos electromagnéticos
– E1(t)  corriente de conducción  pérdidas
óhmicas en las pistas

15. Inductores integrados
• Campos electromagnéticos
– E2(t) y E4(t)  capacidades parásitas Fres

16. Inductores integrados
• Campos electromagnéticos
– E3(t)  acoplamiento capacitivo y pérdidas ohmnicas

17. Inductores integrados
• 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

18. Inductores integrados
• Corrientes de torbellino (eddy currents)
Bprincipal
I
Itorbellino
Distribución I en el interior
Pistas Resistencia
f  interiores
no uniforme
de la corriente
I en el exterior serie

19. Inductores integrados
• Pérdidas en el sustrato
– f  Corrientes de torbellino
B (t)
• -I
⊗ I
Ó x id o
⊗
⊗
• •
Is u s - Is u s
Si

20. 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

21. Modelo paramétrico
• Basado en modelo clásico de circuito equivalente
• Ecuación para cada elemento unitario

22. Modelo paramétrico
• Inductancia
K e ×µ0 ×n 2 ×a 2
L≈
22 ×r − 14 ×a

23. Modelo paramétrico
• Resistencia serie
t t
sh + sin
l δ δ
RS =
σ δ
2 × ×w × ch t − cos t
δ δ

24. Modelo paramétrico
• Capacidad paralela
nu ×w2
CPU = ×ε
toxM 5− M 6
nu ×w2 ×s + lt × m ×toxM 5− M 6
t
CP = ×ε
toxM 5− M 6 ×s
lt × m
t
CPT = ×ε
s

25. Modelo paramétrico
• Rama del sustrato
ε
Cox = w × ×
l
tox
A
Csub = ε 0 × r ×
ε
t
t
Rsub = ρ sub ×
A

26. 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

27. Modelo paramétrico
• Cálculo la inductancia y factor Q
1
1 Y11 = Y11 +
Y11 = + jw f C p 1 1
Rs + jw f Ls +
jw f C ox1 1
jw f C sub1 +
R sub1
Im(Y11 ) −1
Q=− Lext =
Re(Y11 ) Im(Y11 ) ⋅ w f

28. 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

29. 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 r
3- Llamada a calculo_parametros_1f  matriz
de parámetros
4- Búsqueda máximo factor Q calculado

30. 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

31. 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

32. Tecnología UMC 0.18 μm
• Modelo para señal mixta/RFCMOS
• Herramienta abierta a otras tecnologías

33. Tecnología UMC 0.18 μm
• Sustrato semiconductor
279.4 µm
736.6 µm

34. Tecnología UMC 0.18 μm
0.88 µm
279.4 µm 0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.48 µm

35. Tecnología UMC 0.18 μm
• M6
• M6+M5 2 µm
• Underpass 0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.56 µm
0.48 µm

36. 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

37. 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)

38. 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

39. El formato CIF
• Layout
generado

40. 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

41. Entorno de desarrollo XAMPP
• Aplicaciones Web
• Entorno multiplataforma
• Apache + MySQL + PHP + Perl
• Licencia GNU
• Instalación locahost

42. Entorno de desarrollo XAMPP
• Panel de control de XAMPP

43. 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

44. Herramienta software
• Basada en modelo paramétrico
• PHP, lado del servidor
• HTML, lado del cliente

45. Herramienta software
• Interfaz principal

46. Herramienta software
• Intercambio de datos cliente -servidor:
• Ajax
• jQuery <script type="text/javascript">
$(document).ready(function(){
$('#form1').submit(function(){
$.ajax ({
….
});
return false;
});
});

47. Herramienta software
$.ajax ({
type:"POST",
url:"http://localhost/imodel/Buscador_Maximo_Q.php",
data:"f="+$('#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);
…
}});

48. Herramienta software
• Interfaz principal

49. Herramienta Software
• Interfaz de parámetros tecnológicos

50. Herramienta Software
• Gráficas L y Q en la banda RF

51. Herramienta Software
• Interfaz de ayuda

52. Herramienta Software
• Algoritmos

53. Herramienta Software
• 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

54. Herramienta Software
• Algoritmos
– Botón Genetare CIF 
• Espiras.php
– Interfaz Technological Parameters  Save
• parametros.php
Mensajes error

55. 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

56. 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

57. Conclusiones
• Herramienta desarrollada:
– Entorno Web
– Herramienta versátil
– Opción de 1 ó 2 metales en paralelo

58. 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.

59. 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

60. 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

61. Desarrollo de una herramienta
Web para el cálculo de bobinas
integradas
Autor: Zulima Fernández Gutiérrez
Tutores: Dr. D. Javier del Pino Suárez
Dr. D. Roberto Díaz Ortega
IMODEL 2.0