Alejandro Peidro Palanca Director: Josep Rius Vázquez Noviembre 2001

1. Técnicas experimentales para la medida de la corriente, energía y potencia consumida por un CI CMOS. Alejandro Peidro Palanca Director: Josep Rius Vázquez Noviembre 2001

2. Sumario • Motivación y objetivos • Métodos de medida • Diseño y construcción de la placa de medida • Circuitos analizados • Montaje experimental • Resultados experimentales • Conclusiones

3. Motivación • Importancia de la medida del consumo de CI CMOS • Existencia de varios métodos experimentales de medida • Necesidad de establecer un criterio objetivo que justifique la elección de cada método

4. Objetivos • Obtener el consumo de dos CI mediante los diferentes métodos de medida • Comparación de los resultados obtenidos para poder evaluar la bonanza de los métodos

5. Sumario  • Motivación y objetivos • Métodos de medida • Diseño y construcción de la placa de medida • Circuitos analizados • Montaje experimental • Resultados experimentales • Conclusiones

6. Métodos de medida • Determinación de iDD(t) Dificultad de medir la corriente consumida por un CI CMOS • Medida del consumo para periodos largos • Método del amperímetro • Medida del consumo para periodos cortos • Método de la resistencia • Método del condensador • Método de la sonda de corriente

7. Método del amperímetro • Medida del valor medio • P = VVDD . IDD • Método fiable y simple de lectura directa • Pequeña perturbación • Imposibilidad de determinar el consumo en una transición simple de las entradas

8. Método de la resistencia • Medida de la caída de tensión media con un osciloscopio • . • Perturbación controlada • Es posible determinar el consumo asociado a una transición en las entradas • Calibración correcta de R • Efecto de los diodos de protección, capacidades internas y de desacoplo

9. Método del condensador • Medida de la tensión VVDD con un osciloscopio • . • Perturbación controlada • Es posible determinar el consumo asociado a una transición en las entradas • Calibración correcta de CDD • Efecto diodos de protección, EMI, inyección de carga

10. Método de la sonda de corriente • Adquisición de la componente transitoria de la corriente • Insensibilidad de la componente DC y bajas frecuencias

11. Sumario  • Motivación y objetivos • Métodos de medida • Diseño y construcción de la placa de medida • Circuitos analizados • Montaje experimental • Resultados experimentales • Conclusiones 

12. +12 V +12V -12 V +5 V RESET C. EXT. Control Interruptor Medida Consumo INT. Diseño y construcción de la placa de medida MÓDULO DE TENSIÓN MÓDULO DE CONTROL MÓDULO INTERMEDIO MÓDULO SELECTOR

13. CONTROL EXT. CONTROL_PMOS CONTROL_TG RESET CONTROL_INY_TG CONTROL_PMOS OSC. CONTROL_TG Vvdd CONTROL INY_TG 3 2 1 MICROINTERR. TOFF TREP TMED Placa de medida: Módulo Control • Control del interruptor en función de los microinterruptores y del control externo para el método del condensador MICROCONTROLADOR PIC16C711

14. Placa de medida: Módulo Control

15. VDD D Vg CONTROL_TG TG S CONTROL_PMOS PMOS S D CCPMOS CCTG VVDD CONTROL_INY_TG Placa medida: Módulo intermedio • Acondicionamiento de las señales de control que gobiernan el interruptor para el método del condensador

16. J5: Amp. y SC. • J4: R. • J8,J11: C. Placa de medida: Módulo selector J5 J4 J11 J8

17. Módulo de tensión Módulo selector Módulo de control Módulo intermedio Control externo Conectores Conector tensión externa Placa medida: Esquema eléctrico

18. Microinterr. PI16C711 Jumpers Placa de medida: Layout

19. Sumario  • Motivación y objetivos • Métodos de medida • Diseño y construcción de la placa de medida • Circuitos analizados • Montaje experimental • Resultados experimentales • Conclusiones  

20. Circuitos analizados • Microprocesador ARM7TDMI de 32 bits • Multiplicador de Guild de 8x8 bits

21. Microprocesador ARM7TDMI AT91EB01 AT91R40807

22. Circuitos analizados  • Microprocesador ARM7TDMI de 32 bits • Multiplicador de Guild de 8x8 bits

23. Multiplicador de Guild • Relación entre la profundidad lógica-consumo • Diferentes granularidades (1, 2, 4, 8, 15) • Necesidad de una placa de acondicionamiento

24. JUMPERS MÓDULO CLR MULTIPLICADOR LFSR IN OUT MÓDULO CLK RELOJ EXTERNO CLK CK MÓDULO INTERRUPTORES Placa del multiplicador PLACA ACONDICIONAMIENTO

25. DIVISOR MUX CK/16 CLR CK/8 CLK CK/4 CK/2 CK SELECCIÓN Placa multiplicador: Módulo CLK

26. B CLK CLR A XOR Placa multiplicador: Módulo LFSR LFSR

27. 1 2 3 4 5 6 7 8 ‘0’ ‘1’ S2 (MSB) S1 S0 (LSB) gra1 gra2 gra4 gra8 gra15 AL MÓDULO CLK AL MULTIPLICADOR Placa multiplicador: Módulo interruptores

28. Placa multiplicador: Jumpers VVDD J7 PWR_CO VDD J6 J8 PWR_PY J9

29. DATAPATH + REG. SEG. OUTPUT DATA INPUT DATA / / 16 16 CS1 CK CS1 CK BUFFERS CS2 CS2 CS4 REGISTROS E/S CS4 CS8 CS8 CS15 CS15 Placa multiplicador: Funcionamiento general =1 =2 =4 =8 =15

30. CONECTORES SALIDAS MULTIPLICADOR LFSR JUMPERS MÓDULO CLR MÓDULO INTERRUPTORES MÓDULO CLK Placa multiplicador: Esquema eléctrico

31. MULTIPLICADOR SALIDAS CONECTORES JUMPERS PULSADOR DE CLEAR MÓDULO INTERRUPTORES SEÑAL RELOJ EXTERNO Placa multiplicador: Layout

32. Circuitos analizados  • Microprocesador ARM7TDMI de 32 bits • Multiplicador de Guild de 8x8 bits 

33. Sumario  • Motivación y objetivos • Métodos de medida • Diseño y construcción de la placa de medida • Circuitos analizados • Montaje experimental • Resultados experimentales • Conclusiones   

34. GND FUENTE EXTERNA +8,5V GND +12V VVDD VVDD +3,3V GND M ARM7TDMI VDD VDD GND GND Vcc (+5V) Diagrama de tensiones ARM7TDMI PLACA EVALUACIÓN REG PLACA MEDIDA REG (+5V)

35. U14 PIC 16C711 SW1 SW2 J10 RESET +12 V J8 J11 U1 GND PMOS U9 R11 TG R9 C DD R8 R7 J5 R6 J6 J4 J14 PLACA DE EVALUACIÓN F J f4 f8 f16 f32 ARM7TDMI T +8.5 V PUERTO SERIE Montaje experimental: ARM7TDMI PLACA DE MEDIDA

36. Fotografía del acoplo

37. AMPERÍMETRO PLACA DE MEDIDA +12 V GND CDD J5 J6 J14 PLACA DE EVALUACIÓN J f4 f8 f16 f32 T ARM7TDMI +8.5 V ARM7TDMI: Método Amperímetro + 13.8596 mA F PUERTO SERIE

38. OSCILOSCOPIO BUS GPIB PLACA DE MEDIDA +12 V J8 GND CANAL 1 CANAL 3 R11 R9 R8 - R7 J5 CANAL 2 + R6 J6 J4 J14 Red ethernet PLACA DE EVALUACIÓN F J f4 f8 f16 f32 ARM7TDMI T PC +8.5 V PUERTO SERIE ARM7TDMI: Método Resistencia

39. Obtención.vi

40. V T 0V V, T Imágenes método R • VVDD,  E, P

41. OSCILOSCOPIO U14 PIC 16C711 SW1 SW2 J10 RESET +12 V J8 J11 U1 GND PMOS U9 CANAL 1 TG C DD J6 J14 PLACA DE EVALUACIÓN F J f4 f8 f16 f32 ARM7TDMI T +12 V GND (0V ) +8.5 V V PUERTO SERIE VDD V DD V (+5 V) CC trigger ARM7TDMI: Método Condensador PLACA DE MEDIDA

42. VDD V T V, T Imágenes Método Condensador • VDD, • C2 (SMD) • Tiempo de abertura fijo (42,40 s) • Tiempo de abertura es la duración del programa • C14 (Tántalo)  E, P

43. ARM7TDMI: Método Sonda Corriente • Componente continua no queda reflejada • Picos de tensión redondeados

44. FUENTE EXTERNA GND +12V VVDD VVDD ELECTRÓNiCA M VDD VDD VCC (+5V) GND GND Diagrama tensiones Multiplicador PLACA MULTIPLICADOR PLACA MEDIDA REG MUL

45. VC1 Multiplier Board SW1 Measuring Board J9 J11 J8 J6 J8 SW2 J7 reset J4 J6 J11 J5 J14 J16 CDD Montaje experimental: Multiplicador CK J10 gnd 4 3 2 1 out(0) SW1

46. Fotografía del acoplo

47. AMPERÍMETRO CK ANALIZADOR LÓGICO J10 4 3 2 1 SW1 VC1 Multiplier Board SW1 Measuring Board J9 J11 J8 J6 J8 SW2 J7 reset J4 J6 J11 J5 J14 J16 CDD Multiplicador: Método Amperímetro + 13.8596 mA

48. OSCILOSCOPIO CK ANALIZADOR LÓGICO CANAL 1 - + J10 gnd 4 3 2 1 out(0) SW1 VC1 Multiplier Board SW1 Measuring Board J9 J11 J8 J6 J8 SW2 J7 reset J4 J6 J11 J5 J14 J16 CDD Multiplicador: Método Resistencia

49. OSCILOSCOPIO CANAL 1 VC1 Multiplier Board SW1 Measuring Board J9 J11 J8 J6 J8 SW2 J7 reset J4 J6 J11 J5 J14 J16 CDD Multiplicador: Método Condensador CK J10 gnd 4 3 2 1 out(0) SW1

50. T=51,4S VDD 1 2 V CK 21 20 16 17 18 22 19 Vi Imágenes Método Condensador • Caída de tensión asociada a 5 multiplicaciones • f=100KHz, =15, CORE • Superposición caída de tensión asociada a 4 conjuntos de 25 multiplicaciones • f=500KHz, =15, CORE • SE HA LOGRADO IDENTIFICAR EL CONSUMO LIGADO AL PRODUCTO QUE LO PRODUCE