2. Согласование элементов на примере построения матрицы согласованных конденсаторов с соотношением элементов 1:1.

Большую роль при получении годных изделий играет разброс параметров идентичных элементов схемы. Он неизбежен даже для хорошо управляемых и стабильных техпроцессов. Схемы, параметры которых выходят за границы допустимых значений, уходят в брак. Задача разработчика минимизировать возможность разброса параметров при получении идентичных элементов. Решить эту проблему помогает согласование элементов, которое обеспечивает им одинаковые условия. Согласованные интегральные элементы (транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды) являются неотъемлемой частью любого высокоточного аналогового блока. Современная КМОП-технология позволяет получить высокую степень согласованности однотипных элементов с помощью специальных топологических методов, которые минимизируют негативные рассогласующие факторы, сопутствующие процессу изготовления и эксплуатации ИМС.

В качестве рассогласующих факторов могут служить:

- температурные градиенты

- распространение шумов

- механические напряжения

- технологические факторы.

Согласование элементов рассмотрим на примере спроектированной нами матрицы согласованных конденсаторов. Перед нами была поставлена задача - создать параметризованную матрицу согласованных конденсаторов с соотношением элементов 1:1.

Так как мы создаем параметризованную ячейку, то необходимо продумать параметры, от которых она будет зависеть. По правилам согласования все элементы должны быть идентичными, поэтому значение ширины и длины у них будет одинаковое. Количество конденсаторов с1 и с2 по условию равно.

Таким образом изменяемыми параметрами для матрицы согласованных конденсаторов были выбраны ширина, длина, количество конденсаторов.

Основными и самыми сложными задачами при построении были наиболее компактное расположение массива конденсаторов и максимально-возможная степень перемешивания, чтобы обеспечить хорошее согласование элементов.

Алгоритм нахождения размеров наиболее компактной матрицы.

Первой задачей при построении матрицы было создание ее наиболее компактной. Чем компактнее расположены элементы, тем менее восприимчивыми становятся согласованные элементы к нелинейным градиентам разброса параметров. В идеале массив элементов должен быть почти квадратным. При этом сегменты каждого согласуемого элемента должны быть распределены по массиву настолько равномерно, насколько это возможно. Мы стремились не ограничиваться лишь одним и двумя рядами создаваемой матрицы.

Чтобы создать матрицу необходимо знать начальные координаты первого элемента и количество конденсаторов расположенных по горизонтали и по вертикали. Для нахождения количества столбцов и рядов матрицы нами был придуман следующий алгоритм:

sum = Na + Nb

module = 2

while(module != 1 && module != 0

k = 0

r = 0

for(i 1 sum j = mod(sum i) if(j == 0 then k = k+1))

if(oddp(k) then

num = (k+1)/2

for(i 1 sum j = mod(sum i) if(j == 0 then r = r+1) when(j == 0 && r == num n = i m = sum/i m_fl = sum_fl/i n_fl = sum_fl/m_fl))

else

mun = k/2

for(i 1 sum j = mod(sum i) if(j == 0 then r = r+1) when(j == 0 && r == mun n = i m = sum/i m_fl = sum_fl/i n_fl = sum_fl/m_fl))

)

module = abs(n - m)

sum = sum + 1

)

Na – количество конденсаторов с1, Nb – количество конденсаторов с2.

mod() – функция, которая возвращает остаток от деления входящих в нее аргументов.

sum – переменная, которая отвечает за общее количество конденсаторов.

abs() – функция, которая возвращает модуль выражения, которое ей задается в качестве аргумента.

n – количество строк.

m – количество столбцов.

Этот алгоритм находит все делители числа sum, при этом считает их количество k и каждому присваивает свой порядковый номер. Если k нечетное, то n = m = делителю, который имеет порядковый номер (k+1)/2. Если k четное, то n = делителю, который имеет порядковый номер k/2, а m = sum/n.

Таким образом, формируется наиболее компактная матрица.

Алгоритм перемешивания элементов.

Следующей задачей является перемешивание элементов, для обеспечения максимально-возможной степени согласования. Это необходимо для того, чтобы исключено влияние рассогласующих факторов, связанных с наличием на кристалле разного рода градиентов параметров (градиентов толщины окисла, механических напряжений, температуры и т. д).

При расположении массивов элементов мы руководствовались основными типами размещения, которые обеспечивают наибольшую степень согласованности. В зависимости от количества элементов и размеров матрицы используются размещение с общим центром, с общей осью симметрии и с перекрестными связями.

Одним из вариантов алгоритма является перебор различных вариантов количества элементов. Но этот подход очень громоздкий и не сможет охватить все варианты. Необходимо найти зависимость и минимизировать количество условий.

При исследовании различных вариантов была обнаружена зависимость. При n или m кратном 4 элементы можно разбивать на одинаковые сегменты, которые можно перемешивать с перекрестными связями и при этом с общим центром симметрии. На этом будет построен весь алгоритм.

1. if (mod(n 4)==0 then m=n, n=m) - первое условие, которое было принято: n <= m. Это сделано, чтобы перемешивать элементы в одном направлении, а не в двух, что сокращает код вдвое.

2. if( mod(m 4)!=0 - при условии, что m не кратно 4

ABABAB

BABABA – перемешивание элементов с перекрестными связями и общей

ABABAB осью симметрии

3. else

1. if( mod(n 4)!=0 - при условии что m кратно 4, а n нет

ABBA ABBA

BAAB BAAB – перемешивание элементов с общим центром и

ABBA ABBA перекрестными связями

2. else - при условии что n и m кратно 4

ABBA ABBA

BAAB BAAB - перемешивание элементов с общим центром, общими

BAAB BAAB осями симметрии и перекрестными связями.

ABBA ABBA

);end if

);end if

Такое перемешивание создает наиболее согласованную матрицу элементов.

При построении ячеек согласованных элементов мы придерживались основных правил согласования.

1. Конденсаторы в спроектированных ячейках разбиваются на идентичные элементы, имеющие одинаковые параметры (Рис.2.16).

2. Все сегменты в массиве согласованных элементов имеют одинаковую ориентацию (Рис.2.16). Это можно объяснить тем, что вдоль различных кристаллических осей подвижность носителей разная. А мы стремимся получить одинаковые характеристики элементов.

3. При расположении массивов согласованных элементов мы стремились минимизировать расстояние между геометрическими центрами и разместить их таким образом, чтобы у них был либо общий центр, либо общая ось симметрии, либо перекрестные связи. При этом их конфигурация наиболее компактна.

4. Нами были приняты меры по обеспечению равных условий для краевых и внутренних сегментов массива. Вокруг внешнего края матрица согласованных конденсаторов размещены фиктивные конденсаторы (Рис.2.16). Расстояние между фиктивными и рабочими элементами соответствует расстоянию между рабочими элементами. На фиктивные сегменты подается напряжение земли/питания, чтобы предотвратить на них накопление плавающих потенциалов. Использование фиктивных элементов по краям ячейки гарантирует однородное травление всех внутренних элементов.

Рисунок 2.16. Расположение фиктивных элементов в матрице согласованных конденсаторов.

Фиктивные элементы можно делать меньше по размеру, чем рабочие элементы. Это делается в случае необходимости минимизировать площадь ячейки. Поэтому нами предусмотрена возможность изменения размеров фиктивных конденсаторов пользователем. Размеры фиктивных конденсаторов можно устанавливать в 2 раза меньше, чем у рабочих элементов.