Лекция 5. Проектирование

Схемотехнический уровень проектирования. Влияние технологического процесса. Схемотехническое моделирование как верификация на соответствие архитектурному уровню. Типы схемотехнического анализа. Методология топологического уровня проектирования. Верификация.

Основным отличием схемотехнического уровня проектирования ИМС от схемотехнического проектирования на дискретных элементах и устройствах является привязка к технологическому процессу. По определению, все элементы ИМС формируются в едином технологическом цикле. Это означает, что вся доступная элементная база определяется основным документом, который производитель предоставляет разработчику – спецификацией процесса. Независимо от типа процесса, влияние технологического процесса на схемотехническое проектирование можно определить двумя противоположными категориями:

Возможности, которые предоставляются разработчику по составу элементной базы и способом изменения рабочих характеристик элементов через варьирование их геометрических параметров.

Ограничения, накладываемые на предельные режимы эксплуатации и базовые характеристики элементов, меняющие режимы их работы. Разброс параметров и допустимые отклонения параметров от типовых, связанные с технологическими уходами.

Таблица 2.3

Пример для аналогового КМОП процесса

Элемент	Возможности	Ограничения
P-МОП (N-МОП)	Изменением ширины и длины затвора влиять на 1) величину выходного тока, 2) линейность в режиме насыщения	Пробивные напряжения, пороговое напряжение и удельная проводимость, предельная частота усиления. Отклонения этих параметров
Резисторы	Изменением ширины и длины резистора влиять на 1) величину сопротивления, 2) линейность	Удельное сопротивление, максимальный удельный ток, температурный коэффициент сопротивления и коэффициент по напряжению. Отклонения этих параметров
Конденсаторы	Изменением размеров влиять на 1) величину емкости, 2) линейность	Удельная емкость, удельный температурный коэффициент емкости и коэффициент по напряжению. Отклонения этих параметров
Биполярные транзисторы	Изменением размеров влиять на величину выходного тока	Пробивные напряжения. Падение напряжения на эмиттерном переходе (напряжение инжекции), величина и зависимость коэффициента усиления по току от выходного тока. Отклонения этих параметров

Необходимо помнить два основных положения, характеризующих схемотехнический уровень проектирования.

В отличие от проектирования схемы на дискретных элементах и устройствах, где, как правило, элементная база подбирается под разработанную схему, при проектировании на схемотехническом уровне ИМС очень часто приходится подбирать схемотехническое решение под имеющуюся элементную базу.

Схемотехнический уровень проектирования является переходом от идеализированного представления работы ИМС или функционального блока к реальному физическому представлению.

Эти положения определяют дополнительное качество схемотехнического уровня проектирования как стадии дополнительной проверки архитектурного уровня.

Схемотехническое моделирование является основным инструментом проверки правильности работы функциональных модулей. В его основе лежат математические модели работы реальных физических устройств. Эти модели встраиваются в программу моделирования, которая позволяет на их основе рассчитывать рабочие характеристики схемы на основе базовых законов в области электротехники. Практически качество моделирования электрической схемы зависит от трех компонентов (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Факторы моделирования

На сегодняшний день фактическим стандартом для программ электрического моделирования стала программа Spice, разработанная калифорнийским университетом Беркли в конце 60-х годов прошлого столетия. Большинство современных программ являются ее усовершенствованными модификациями. Spice предоставляет многочисленные возможности по встраиванию различных моделей устройств.

Несмотря на то, что на сегодняшний день существует несколько моделей, описывающих физику работы базовых элементов ИМС, фактически стандартными для производителей ИМС являются:

BSIM3.1 – берклиевская модель МОП-транзистора с длиной канала свыше 0.18 мкм;

BSIM4.1 – берклиевская модель МОП-транзистора с длиной канала ниже 0.18 мкм;

BSIMSOIPD – берклиевская модель МОП-транзистора, выполненного по технологии «кремний на изоляторе»;

EGP – расширенная модель Гумеля – Пуна для биполярных транзисторов.

Основным предпочтением эти модели пользуются среди производителей по следующей причине: все параметры для этих моделей могут быть получены, исходя из технологических параметров или по результатам измерений на тестовых пластинах.

Основными и обязательными видами анализа при проектировании аналоговых схем являются:

Анализ по постоянному току (DC), позволяющий проверить правильность установки рабочих точек элементов схемы и их зависимость от изменения условий окружающей среды. Режимы по постоянному току всегда рассчитываются в начале моделирования перед выполнением других видов анализа без указания специальных директив. Кроме того, анализ по постоянному току выполняется перед расчётом переходных процессов для определения начальных условий и перед анализом в частотной области для линеаризации нелинейных компонентов в окрестности режима по постоянному току. Режим по постоянному току рассчитывается итерационным методом Ньютона-Рафсона. В отсутствие сходимости рекомендуется увеличить максимальное количество итераций. Для повышения скорости сходимости рекомендуется устанавливать начальные значения узловых потенциалов как можно более близкими к ожидаемому режиму по постоянному току (при отсутствии этой директивы все узловые потенциалы на начальной стадии полагаются равными нулю). Если решение методом Ньютона-Рафсона не сходится, программа автоматически переходит к методу вариации напряжений источников питания, который обеспечивает сходимость решения в большинстве случаев ценой увеличения затрат машинного времени.

Многовариантный расчёт режима по постоянному току (DC Sweep). Расчёт режима по постоянному току производится при вариации одного или нескольких источников постоянного напряжения или тока, температуры, параметров моделей компонентов схемы и глобальных параметров. Режим по постоянному току рассчитывается для нескольких значений варьируемых переменных, в качестве которых могут выступать:

- имена независимых источников напряжения или тока;

- параметры моделей компонентов (тип компонента, имя модели и в круглых скобках имя варьируемого параметра);

- температура;

- глобальные параметры.

Характер изменения переменных: линейный масштаб; логарифмический масштаб декадами или октавами; список значений.

Если указаны спецификации двух варьируемых параметров, то первый параметр изменяется в заданных пределах для каждого значения второго параметра. Такой вложенный цикл удобен для построения статистических характеристик полупроводниковых приборов.

Максимальное количество итераций при переходе к следующему варианту по умолчанию устанавливается равным достаточно малой величине (20). Поэтому в схемах, чувствительных к вариациям параметров, могут возникнуть проблемы со сходимостью. В этих случаях рекомендуется увеличить количество итераций.

Чувствительность в режиме малого сигнала (Sensitivity). При этом накладывается ограничение: если выходная переменная должна быть током, то допускается ток через независимые источники напряжения. После линеаризации цепи в окрестности рабочей точки рассчитывается чувствительность каждой из указанных выходных переменных к изменению параметров всех компонентов и моделей.

Расчёт малосигнальных передаточных функиий (Trancient Function). В режиме по постоянному току они рассчитываются после линеаризации цепи в окрестности рабочей точки.

Анализ по переменному току (AC), позволяющий проверить амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики схемы и таким образом проверить правильность передаточной функции схемы и ее стабильность в частотной области. Расчёт характеристик в частотной области производится после определения режима по постоянному току и линеаризации нелинейных компонентов. Это делается автоматически без задания дополнительных директив. Амплитуды и фазы одного или нескольких гармонических сигналов указываются при описании параметров независимых источников напряжения или тока.

Анализ уровня внутреннего шума (AC Sweep/Noice Analysis). Источниками шума являются резисторы, ключи и полупроводниковые приборы, шумовые схемы, замещения которых входят в состав встроенных математических моделей этих элементов. На каждой частоте рассчитывается плотность выходного напряжения, обусловленная наличием статистически независимых источников внутреннего шума. Точки съёма выходного напряжения указываются по спецификации. К входным зажимам цепи подключается независимый источник напряжения или тока. Этот источник не является источником реального сигнала и служит лишь для обозначения входных зажимов цепи, к которым пересчитывается выходной шум. Если ко входу подключается источник напряжения, то на входе рассчитывается эквивалентная спектральная плотность напряжения; если ко входу подключён источник тока, то рассчитывается эквивалентная спектральная плотность тока. Уровень шума пересчитывается с выхода на вход делением выходного напряжения шума на квадрат модуля соответствующей передаточной функции. При этом внутреннее сопротивление реального генератора сигналов должно быть включено в описание цепи как отдельный резистор.

Анализ переходных процессов или временной анализ (Transient), позволяющий определить правильность работы схемы в выбранном промежутке времени. Перед началом расчёта переходных процессов рассчитывается режим по постоянному току. Шаг интегрирования выбирается автоматически. Режим по постоянному току определяет начальные условия для расчёта переходных процессов. Это связано с тем, что значения источников сигналов в начальный момент времени могут отличаться от их постоянных составляющих.

При моделировании смешанных аналого-цифровых цепей шаги интегрирования в аналоговых и цифровых устройствах выбираются независимо и могут быть разными. Шаг интегрирования цифровой части определяется значениями задержек в цифровых компонентах.

Спектральный анализ (Transient/Fourer Analisys). Спектральный анализ производится с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) после завершения переходного процесса. Кроме того, рассчитывается коэффициент нелинейных искажений (в процентах).

Многовариантный анализ, вариация параметров (Parametric). На каждом шаге вариации параметров по очереди выполняются все виды анализа характеристик цепи. Многовариантный анализ, вариация температуры (Temperature).

Статистический анализ по методу Монте-Карло. Он производится при статистическом разбросе параметров модели. Случайные величины создаются с помощью генераторов случайных чисел как независимых, так и коррелированных. Величина относительного разброса каждого параметра и закон распределения случайной величины задаются. Имеются генераторы случайных величин с двумя стандартными законами распределения:

UNIFORM - равновероятное распределение на отрезке (-1, +1);

GAUSS - гауссовское распределение на отрезке (-1, +1) с нулевым средним значением и среднеквадратичным отклонением δ = 0,25 (т.е. имеет место усечённое гауссовское распределение на интервале ± 4 δ).

Так же можно задать любой другой закон распределения случайных величин в табличной форме парой чисел - значением случайной величины и соответствующей вероятностью. Всего может быть задано до 100 пар чисел. Все значения должны находиться на интервале (-1, +1), а координаты точек указываться в порядке возрастания. Между соседними точками производится линейная интерполяция.

Статистические испытания по методу Монте-Карло проводятся при расчёте режима по постоянному току, переходных процессов или частотных характеристик. При статистическом анализе предусматривается разнообразная статистическая обработка результатов моделирования, характер которой определяется с помощью опции обработки результатов: расчёт максимального отклонения текущей реализации от номинальной; расчёт максимального значения в каждой реализации; расчёт минимального значения в каждой реализации; определение момента первого пересечения заданного уровня снизу вверх (значение уровня задаётся в круглых скобках; в начале расчёта значение реализации должно быть меньше этого уровня); определение момента первого пересечения заданного уровня сверху вниз (значение уровня задаётся в круглых скобках; в начале расчёта значение реализации должно быть больше этого уровня).

Статистический расчёт параметрической чувствительности характеристики наихудшего случая, (WorstCase). Виды анализа и параметры такие же и в случае статистического анализа по методу Монте-Карло. Проводятся расчёты характеристик цепи при вариации параметров. Сначала по очереди изменяются все указанные параметры, что позволяет оценить параметрическую чувствительность характеристик. В заключение рассчитываются все характеристики цепи при одновременном изменении всех параметров по методу наихудшего случая. Статистический расчёт наихудшего случая для смешанных устройств. При исследовании цифровых устройств, наиболее важным является, оценка влияния случайного разброса временных задержек цифровых интегральных схем на характеристики устройства в целом. Характеристики сначала исследуются при номинальных значениях задержек, а затем проводится проверка работоспособности устройства при вариации задержек в заданных пределах. Расчёт наихудшего случая при моделировании смешанных аналого-цифровых устройств отличается от моделирования чисто аналоговых устройств. При моделировании по методу наихудшего случая аналого-цифровых устройств аналоговые секции моделируются при номинальных значениях параметров. В цифровых компонентах варьируются задержки, имеющие в моделях динамики ненулевые минимальные и максимальные значения. При подаче на вход цифрового устройства некоторого сигнального воздействия выходной узел имеет неопределённое логическое состояние на интервале времени, равном разности между максимальной и минимальной задержками. После прохождения сигнала через второй цифровой компонент длительность неопределённого состояния увеличивается и т.д. Здесь используется так называемое моделирование «с нарастающей неопределённостью».

Таким образом, методология схемотехнического уровня проектирования включает в себя:

- Аналитический выбор схемы и ее параметров.

- DC, АС, временной анализ и уточнение параметров.

- Анализ спецификации технологического процесса.

- Анализ и уточнение параметров с помощью многовариантного моделирования.

- Формирование окончательной схемы для топологического проектирования.