Материал: Методические указания по выполнению лабораторных работ № 1 - 3 по дисциплине «Схемотехническое моделирование аналоговых устройств». Балашов Ю.С., Мушта А.И

1.2.1. Контрольные вопросы

1. Для каких целей используется САПР Cadence?

2. Почему в Cadence используют иерархическую структуру проекта?

3. Что подразумевается под понятием ячейка?

4. Какие секции моделей существуют? В чем их сущность?

5. Что такое технологический файл, для чего он нужен?

1.3. Лабораторные задания

Лабораторное задание выполняется в несколько этапов:

1. Создание библиотеки (имя библиотеки – studentX, где Х – номер варианта задания)

2. Создание ячейки (имя должно соответствовать типу устройства, например 4NAND – соответствует элементу 4 И-НЕ)

3. Составление схемы на транзисторах.

4. Создание символа устройства.

Составить схему тестовых воздействий

Схема тестовых воздействий должна находиться в той же ячейке что и весь проект. Имя схемы – schematic_mod.

Провести схемотехническое моделирование

Моделирование проводится при температуре 27 ºС, для типовых моделей. Фронты входных сигналов задать 50 пксек. В процессе выполнения лабораторного задания замерить фронты выходного сигнала (по уровню 0,1 и 0,9 сигнала), и задержку переключения (по уровню 0,5 сигнала). В качестве источников входных сигналов использовать генераторы «Vpulse». Результаты моделирования должны быть занесены в таблицу.

Результаты моделирования

1.4. Контрольные вопросы и задания

1. Сформулируйте последовательность действий для создания проекта.

2. Что такой ADE? Для каких целей он используется? Как запустить ADE?

3. О чем говорит эта ошибка: «M0 is an instance of an undefined model nmos4»?

4. Сформулируйте последовательность действий для проведения схемотехнического моделирования.

1.5. Требования к содержанию отчета

Отчет по лабораторной работе включает в себя следующие разделы.

1. Цель и задачи лабораторной работы.

2. Электрическая схема устройства, выполненная в САПР Cadence. С указанием наименований библиотеки и ячейки.

3. Графические зависимости, полученные при моделировании.

4. Таблица переключений устройства.

5. Таблица с результатами моделирования.

6. Выводы по работе.

Лабораторная работа № 2 Схемотехническое моделирование в симуляторе Spectre

2.1. Цель работы:

приобретение знаний по схемотехническому моделированию схем аналоговых устройств в САПР Cadence с применением симулятора Spectre.

2.2. Методические указания

Virtuoso® Spectre®- это современная система аналогового моделирования, использующая прямые методы моделирования на уровне дифференциальных уравнений. Функциональные возможности Spectre и SPICE во многом сходны. Spectre и SPICE в основе используют одни и те же базовые алгоритмы, такие как неявные методы интегрирования, метод Ньютона или матричные методы решения систем уравнений, но реализация алгоритмов в Spectre существенно отличается. Таким образом, Spectre имеет ряд преимуществ по сравнению со SPICE. Среди них:

• способность решать системы большей размерности вследствие более эффективного распределения памяти и более эффективных алгоритмов; более высокая точность как результат применения ряда продвинутых моделей полупроводниковых приборов, среди них BSIM3v3, MOS0, MOS 9, EKV, BTA-HVMOS, BTA-SOI, VBIC95, TOM2, HBT и другие;

• модели сохранения заряда;

• улучшенный анализ Фурье;

• лучший метод контроля погрешности (ошибки округления lte и 1-й закон Кирхгофа);

• адаптивный алгоритм управления шагом интегрирования;

• методы анализа радиотехнических схем (PSS, PAC, PXF, Pnoise, Pdisto, ...)

• смешанное аналого-цифровое моделирование совместно с Verilog-XL – легко моделируются десятки тысяч транзисторов в аналоговой части и десятки тысяч логических элементов в цифровой.

Схемотехническое моделирование в симуляторе Spectre

Для подключения симулятора в САПР Cadence необходимо проделать следующие операции.

1. В окне Composer Schematic выбрать: меню Tools → Analog Environmen (см. рис. 2.1).

а)

б)

Рис. 2.1. а) Запуск Analog Environment (ADE);

б) Внешний вид окна ADE

2. В окне ADE выбрать: меню Setup → Simulator/Directory/Host… В появившемся окне необходимо выбрать симулятор «spectre» (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. Выбор симулятора

В окне ADE доступны различные опции моделирования. В этой лабораторной работе выполняется временное моделирование, для этого необходимо задать тип анализа tran (меню Analyses →Choose…) и все необходимые параметры и точность моделирования, переменные (меню Variables → Edit…), отображаемые на графике выводы (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Окно установки типа анализа

В меню Setup → Model Libraries… устанавливают файл моделей и используемые секции этого файла (см. рис. 2.4).

Рис. 2.4. Окно установки математических моделей

3. Запуск моделирование осуществляется через меню Simulation → Netlist and Run. После окончания моделирования появится окно с результатами (см. рис. 2.5).

Рис. 2.5. Окно с результатами моделирования

2.3. Контрольные вопросы

1. Назовите основные особенности симулятора Spectre.

2. В чем основной недостаток данного типа симулятора.

3. С каким типом файлов работает симулятор Spectre.

Лабораторная работа № 3 «Схемотехническое моделирование в симуляторе UltraSim»

3.1. Цель работы

Научиться моделировать электрические схемы, используя симулятор Cadence® Virtuoso UltraSim и просматривать графические результаты в Cadence® SimVision, а также оценить скорость моделирования симулятора UltraSim и научиться определять наиболее эффективные средства моделирования для различных схем и задач.

3.2. Домашнее задание и методические указания по его выполнению

В последние годы, интенсивно начали развиваться программы моделирования нового поколения, так называемые «быстрые симуляторы». Их применение дает качественный скачок в производительности. Появилась возможность моделировать БИС объемом в десятки и сотни миллионов узлов с точностью и требованиями к вычислительным ресурсам, близкими к традиционным программам моделирования (рис. 3.1).

Решение, предлагаемое Cadence на данном сегменте рынка, - платформа Virtuoso и система FastSPICE Ultrasim. Наряду с известными системами моделирования, Ultrasim интегрирован в общую среду разработки Virtuoso и дает возможность быстро получить решение с приемлемой точностью при возрастании сложности проекта на несколько порядков.

Рис. 3.1 Возможности систем моделирования различных поколений

Технические требования к аналоговым, заказным цифровым, радиотехническим и смешанным проектам росли экспоненциально в последнее десятилетие (рис. 3.2). Экономические факторы и конкуренция на рынке электроники вынуждают разработчиков применять новые технологии и объединять прежде независимые блоки на одном кристалле (System-On-Chip, SOC). Многие производители переходят на современные технологии проектирования по нормам 0.13 мкм – 65 нм, и совмещают аналоговое проектирование, с нанометровыми цифровыми дизайнами. Более того, основой цифрового проектирования является использование библиотек стандартных и специализированных заказных блоков, разрабатываемых с применением средств аналогового моделирования.

Рис. 3.2. Взаимосвязь технологии, сложности и стоимости проекта

Сложность, объем современных проектов, и новые физические эффекты требуют соответствующих технологий заказного проектирования, объединяющих возможности быстрого нисходящего (top-down) проектирования с точностью восходящего (bottom-up) проектирования, идущего от кремниевой реализации. Meet-in-the-middle – современная методология, сочетающая в себе скорость и точность (рис. 3.3).

Наиболее передовые разработчики уже активно используют методологию Meet-in-the-middle. Однако ее эффективность сильно ограничена неадекватностью средств проектирования.

Платформа для заказного проектирования Virtuoso является понятной системой для быстрого и точного проектирования, оптимизированной для технологии meet-in-the-middle (рис. 3.4), например Analog Custom Design (ACD).

Рис. 3.3. Метод проектирования Meet-in-the-middle

Рис. 3.4. Процесс проектирования с помощью платформы Vittuoso

В Virtuoso входит среда, определяемая спецификацией, многорежимное моделирование, имеющее общий синтаксис, модели и системы уравнений, значительно ускоренные слои и объединенная на уровне всего кристалла, а также среда смешанного моделирования.

Virtuoso поддерживает моделирование с использованием различных уровней абстракции моделей - от чисто поведенческого на верхнем системном уровне до точных, откалиброванных по экспериментальным данным на нижнем, наиболее детальном уровне. Уровни абстракции физического дизайна меняются от оценочных на ранних стадиях, до финальных трассировки и экстракции. Кремниевый анализ, основанный на расширенных моделях полупроводниковых приборов, прецизионной экстракции и средствах анализа, дают адекватную информацию в течение всего процесса проектирования.

В зависимости от сложности и объема решаемых задач, Vittuoso ADE (Analog Design Environment) может интегрировать различные системы аналогового моделирования (Spice, Spectre, UltraSim, Multi-mode Simulation), обепечивать обратную аннотацию паразитных параметров, экстрагируемых с помощью Assura RC, поддерживать кросс-пробинг между схемным вводом (Virtuoso Schematic Editor), топологическим редактором (Virtuoso Layout Editor) и системой анализа результатов моделирования.

Платформа Virtuoso может работать с базой данных Cadence CDBA или с базой OpenAccess. С этой платформой, возможно быстрое проектирование с высоким выходом годных для геометрий от 1 мкм до 90 нм и менее.

Система моделирования Virtuoso Spectre

Virtuoso® Spectre® - это современная система аналогового моделирования, использующая прямые методы моделирования на уровне дифференциальных уравнений. Функциональные возможности Spectre и SPICE во многом сходны. Spectre и SPICE в основе используют одни и те же базовые алгоритмы, – такие как неявные методы интегрирования, метод Ньютона или матричные методы решения систем уравнений, - но реализация алгоритмов в Spectre существенно отличается. Таким образом, Spectre имеет ряд преимуществ по сравнению со SPICE. Среди них -

• способность решать системы большей размерности вследствие более эффективного распределения памяти и более эффективных алгоритмов; более высокая точность как результат применения ряда продвинутых моделей полупроводниковых приборов, среди них BSIM3v3, MOS0, MOS 9, EKV, BTA-HVMOS, BTA-SOI, VBIC95, TOM2, HBT и другие;

• модели сохранения заряда;

• улучшенный анализ Фурье;

• лучший метод контроля погрешности (ошибки округления lte и 1-й закон Кирхгофа);

• адаптивный алгоритм управления шагом интегрирования;

• методы анализа радиотехнических схем (PSS, PAC, PXF, Pnoise, Pdisto, ...);

• смешанное аналого-цифровое моделирование совместно с Verilog-XL – легко моделируются десятки тысяч транзисторов в аналоговой части и десятки тысяч логических элементов в цифровой.

Система моделирования Virtuoso UltraSim

Virtuoso® UltraSim® - это современная высокоскоростная система, предназначенная для моделирования схем объемом в десятки и сотни миллионов узлов и позволяющая, в том числе, моделировать цифровые БИС на аналоговом уровне с учетом экстрагированных паразитных RC параметров.

Основные характеристики системы моделирования UltraSim :

• эффективные алгоритмы моделирования для технологии pre- и post-layout, для аналогового и смешанного моделирования, устройств памяти и цифровых схем, с точностью близкой к SPICE, со значительным ускорением по сравнению со SPICE и практически неограниченными объемами для иерархических проектов;

• поддерживаются форматы Spectre и HSPICE, язык Verilog-A, форматы postlayout - detailed standard parasitic format (DSPF), standard parasitic exchange format (SPEF) а также язык Verilog®;

• поддержка формата digital vector file, Verilog® форматы - value change dump (VCD) и extended VCD (EVCD);

• форматы SignalScan Turbo 2 (SST2), fast signal database (FSDB), parameter storage format (PSF) и семейство форматов для сохранения сигналов WDF;

• продвинутые алгоритмы RC-редукции для моделирования post-layout;

• поддержка всех основных моделей транзисторов Spectre и HSPICE, включая BSIM3, BSIM4, BSIMSOI, TFT, HVMOS, BJT, Mextram, Hicum, VBIC и модель ячеек памяти flash;

• проверки времени установления и удержания, времени нарастания и спада, а также ширины импульса;

• анализ мощности на уровне элемента, подсхемы и всего кристалла;

• проверки на уровнях проекта и приборов, в том числе проверка напряжений на приборе, высокоимпедансный анализ узлов, анализ утечек по постоянному току и подробные проверки токов;

• анализ шума, отслеживающий эффекты voltage overshoot (VO) и voltage undershoot (VU) в узлах;

• моделирование IR drop;

• быстрый анализ по огибающей для высокопроизводительного анализа переходных процессов в радиотехнических схемах;

• анализ надежности, в том числе hot carrier degradation (HCI), negative bias temperature instability (NBTI), моделирование старения, совместимость с командами Virtuoso RelXpert;

• С-интерфейс для макромоделирования UCI для реализации аналоговых или цифровых макромоделей, например PLL, блоков памяти, ADC/DAС;

• интерфейс для расчета надежности URI для реализации специфических моделей надежности;

• интерфейс UWI для разработки специальных форматов выходных данных.