5. Особенности проектирования аналоговых сф-блоков.

Маршрут проектирования аналоговых блоков.

Определим, какие блоки считать аналоговыми. Мы считаем, что аналоговыми являются блоки, в которых информация представлена в аналоговой форме (напряжение, ток, длительность импульсов и т.д.), а также блоки, выполняющие аналоговые операции с импульсными сигналами (сравнение по уровню, управление параметрами импульсов, управление задержкой и др.). При этом значения параметров электрических сигналов могут иметь любую величину в заданном рабочем диапазоне. Аналоговые блоки могут включать и цифровые узлы, выполняющие вспомогательные функции, однако целевые функциональные параметры блока определяются аналоговыми сигналами.

Несмотря на то, что методики проектирования аналоговых схем развиваются несколько десятилетий, до сих пор они не гарантируют достижения безусловного успеха разработки. Важнейшую роль в успехе проекта играют опыт и искусство разработчика.

Основные проблемы при проектировании аналоговых блоков связаны не с реализацией определенных функций, а с достижением требуемых параметров устройств. Параметры устройств в первую очередь зависят от характеристик используемых полупроводниковых приборов, то есть от технологического процесса изготовления микросхем.

Современная технология КМОП-микросхем развивается в направлении уменьшения размеров элементов, повышения их быстродействия, снижения внутренних сопротивлений транзисторов. Однако при этом неизбежно снижаются рабочее напряжение и коэффициент усиления транзисторов, возрастают утечки и разброс параметров.

Поскольку параметры аналоговых СФ-блоков напрямую зависят от используемого технологического процесса, то, как правило, их невозможно перенести с одного техпроцесса на другой. Поэтому разработчики аналоговых СФ-блоков не имеют возможности выбора технологии. Техпроцесс выбирается для системы на кристалле.

Сложились определенные правила выбора техпроцесса для СНК, в состав которых входят аналоговые блоки. Для них используется более дорогой модифицированный КМОП-техпроцесс, в котором дополнительно формируются высокоомные резисторы, конденсаторы со структурой металл – диэлектрик – металл (МДМ), индукторы, биполярные диоды, транзисторы с уменьшенными утечками. В этом техпроцессе часто используются эпитаксиальные структуры на низкоомной подложке и различные проектные нормы для аналоговых и цифровых блоков.

Для того чтобы эффективно использовать преимущества и компенсировать недостатки современной КМОП-технологии, надо следовать общим правилам. Во-первых, если есть возможность реализовать требуемую функцию в виде цифрового блока, то выбор должен быть сделан в пользу цифрового варианта. Во-вторых, если можно снизить требования к быстродействию аналогового блока, то это надо сделать обязательно. В-третьих, не следует экономить площадь на кристалле для размещения пассивных элементов: конденсаторов, индукторов, экранов, резисторов. Как правило, площадь аналогового СФ-блока определяется площадью пассивных элементов.

Предельное быстродействие аналогового блока ограничивается не нарушением функционирования, а снижением соотношения сигнал/шум и соответствующим возрастанием искажений в передаваемой информации. Поэтому первостепенную роль в определении быстродействия имеет алгоритм обработки информации и коррекции ошибок. Современные методы обработки сигналов, передаваемых по радиоканалу, позволяют компенсировать ошибки в передаче цифровых кодов на уровне нескольких процентов.

Основные проблемы в проектировании аналоговых блоков связаны с наличием помех в системе и разбросом параметров транзисторов. В общем виде известны средства снижения помех и разброса, однако определение точных параметров схемы с учетом дестабилизирующих факторов является очень сложной задачей.

Верификация аналогового блока - несравненно более сложная задача, чем его разработка. Чаще всего разработчики исходят из ограничений по усилению и быстродействию. Уровень помех и разброс параметров транзисторов оценивают раздельно. Средства борьбы с помехами и разбросом параметров транзисторов применяют по максимуму, исходя из ограничений по площади и быстродействию блока. Совместную оптимизацию электрической схемы и топологии выполняют, ориентируясь на усиление и быстродействие. В таком маршруте разработки конкретные значения помех и шумов определяются экспериментально после изготовления тестового кристалла. Однако сейчас развивается методика верификации аналоговых схем, основанная на использовании новых средств САПР.

Отметим основные этапы проектирования аналогового СФ-блока:

• Расчет – прогноз параметров на основе выполненных ранее проектов. Разработка структурной схемы и спецификации.

• Разработка системной модели. Прогноз-расчет параметров внешних цепей и условий применения.

• Оценочный расчет допустимого разброса параметров транзисторов.

• Оценка и распределение электрической мощности.

• Разработка первого варианта электрической схемы.

• Разработка физического виртуального прототипа (эскизного топологического проекта).

• Уточненный расчет параметров транзисторов, линий связи, пассивных элементов, прогноз статистических отклонений.

• Разработка полной электрической схемы с уточненными параметрами и встроенными средствами контроля.

• Статистический анализ модели.

• Расчет шумов и помех

• Анализ работы модели с внешним окружением.

• Разработка топологии блока.

• Верификация модели.

• Разработка спецификации и модели высокого уровня.

• Изготовление тестового кристалла и аттестация блока.