Материал: Моделирование аналоговых устройств сверхбольших интегральных схем. Балашов Ю.С., Мушта А.И

Процедура анализа состоит в определении свойств заданного описания РЭУ. Примером такой процедуры может служить расчет частотных или переходных характеристик электронных схем, определение реакции схемы на заданное воздействие и др. Анализ позволяет оценить степень удовлетворения проектного решения заданным требованиям и его пригодность.

Процедуры синтеза и анализа в процессе проектирования РЭУ тесно связаны между собой, поскольку обе они направлены на создание приемлемого или оптимального проектного решения.

Типичной проектной процедурой является оптимиза­ция, которая приводит к оптимальному (по определенному критерию) проектному решению. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилучшего приближения частотных характерис­тик к заданным. Процедура оптимизации состоит в многократном анализе при целевом изменении параметров схемы до удовлетворительного приближения к заданным характеристикам. В сущности, оптимизация обеспечивает создание или синтез проектного решения с поэтапным анализом или оценкой характеристик.

Основная задача схемотехнического моделирования – подтвердить соответствия схемотехники и выбранных параметров элементов спецификации модулей. Основными средствами для моделирования схем являются программы на базе программы Spice (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схемотехническое моделирование

Необходимые программные средства определяются выбранной методологией проектирования. Основным отличием схемотехнического уровня проектирования ИМС от схемотехнического проектировании на дискретных элементах и устройствах является привязка к технологическому процессу. 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:

а) возможности, которые предоставляются разработчику по составу элементной базы и способом изменения рабочих характеристик элементов через варьирование их геометрических параметров;

б) 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.

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. 3.2).

Рис. 3.2. Компоненты качества моделирования электрической схемы

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.

3.2. Виды и типы анализа

Программы моделирования позволяют выполнять анализ по постоянному и переменному току, анализ переходных процессов, многовариантный анализ, оптимизацию, статистический анализ, анализ шумовых свойств цепи. Средства для моделирования радиочастотных схем обычно выполняются как отдельные программные продукты и позволяют выполнять анализ статического режима, установившегося режима для малого сигнала, установившегося режима при анализе шума, установившегося режима для модулированных сигналов, расчет S-параметров для малого и большого сигнала, анализ устойчивости, оптимизацию, поведенческое моделирование с использованием языка Verilog-A.

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.

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.

Анализ переходных процессов или временной анализ (Transient), позволяющий определить правильность работы схемы в выбранном промежутке времени.

Работы на схемотехническом уровне (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Виды и типы схемотехнического анализа

4. Расширенные виды анализа

4.1. Общие положения математической формулировки задач моделирования элементов бис

Основным этапом первых двух уровней моделирования является математическая формулировка задачи. Эта процедура включает вывод уравнении, описывающих основные физические процессы внутри структуры прибора, и граничных условий. Последние пpедставляют собой математическйе зависимости, хаpактеpизующие процессы, происходящие на поверхности структуры. Эти зависимости имеют большое значение для моделирования, так как они отражают взаимодействие прибора с окружающей средой. Формулировке математической модели объекта предшествует ранжирование учитываемых факторов, процессов и эффектов и выбор приближений, от которых зависят сложность и эффективность модели. При этом выбирают конфигурацию и геометрические размеры модельной области, аппроксимируют распределения концентрации легирующих примесей в ней, обосновывают пренебрежения второстепенными физическими процессами и эффектами. Hа нижнем стpуктуpно-физическом уpовне объект моделирования, в общем случае являющийся трехмеpной полупроводниковои структурой, представляют можетвом плоских сечении, нормальных и параллельных плоскости pабочеи поверхности БИС.

Множество сечений для ормирования модельных объектов выбирают на основании качественного анализа физических процессов в интегральной структуре элементов БИС. Эти сечения должны совпадать с плоскостями, в которых развиваются основные физические процессы, характеризующие работу прибора. Число сечений зависит от требуемой детализации учитываемых факторов, процессов и эффектов. Конфигурации моделей областей опpеделяют в пpеделах этих сечений. Hа pисунке изобpажена стpуктуpа базового элемента БИС И2Л-типа.

4.2. Спектральный анализ

Одним из видом расширенного анализа в аналоговых устройствах является представления спектра аналогового сигнала. Эта процедура является задачей разложения непрерывной функции в ряд Фурье.

Преобразование Фурье - операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. С помощью анализа Фурье измеряются коэффициенты гармоник двух различных сигналов на точно установленной основной частоте без нагрузки. Алгоритм основан на вычислении интеграла Фурье (не на дискретном преобразовании). Позволяет вычислить коэффициенты Фурье точно и эффективно даже для широкополосных сигналах. Такой вид анализа используется в цепях синхронизации, sigma-delta АЦП, АЦП, широтно-импульсных модуляторах, цифро-аналоговых преобразователями, в фильтрах с переключаемыми конденсаторами так же как на традиционных синусоидах низкого искажения, произведенных усилителями или фильтрами.

4.3. Анализ чувствительности

Данный тип анализа позволяет определить влияние входных параметров на чувствительность выходных параметров проектируемых устройств. В результате устанавливается соотношение между параметрами на входе и выходе, которое записывается в выходной файл, представляется в виде формата ASCII.

Анализ чувствительности состоит из двух типов: неполной и нормализованной чувствительности. анализ заключается в определении чувствительности выходных параметров по отношению к входным конструктивным параметрам. В результате расчета получается соотношение, связывающее изменение выходных величин при изменении входных. Например, V – выходной параметр, P – входной конструктивный параметр. Неполная чувствительность будет определяться, как:

При расчете нормализованной чувствительности исключаются зависимости параметров входных и выходных данных:

если V=0

если Р=0

Если оба параметра P и V равны 0, используется расчет частичной чувствительности.

В табл. 4.1 приведены входные и выходные параметры величин, которые используются в анализах на переменном и постоянном токе.

Таблица 4.1

Входные и выходные параметры величин для анализа

на переменном и постоянном токе

4.4. Анализ устойчивости (stb-analisis)

Анализ устойчивости позволяет произвести расчет линейной функции в области рабочей точки и коэффициента передачи в цепи обратной связи, запаса усиления, запас устойчивости по фазе в цепи обратной связи усилительного устройства. Результаты выводятся в окне waveform. Параметры для моделирования необходимо предварительно определить для расчета.

4.5. Многовариантный анализ. Режим Parametric Sweep

Помимо рассмотренных базовых методов анализа частотных и временных характеристик программа SPICE дает проектировщику еще один мощный инструмент исследования электронных схем – параметрический анализ. В этом режиме пользователь имеет возможность проводить многовариантный анализ частотных или временных характеристик. Результатом такого анализа являются семейства кривых, наглядно показывающие, как влияет изменение того или иного параметра на характеристики цепи. На каждом шаге вариации параметров могут выполняться различные виды анализа. Варьироваться могут напряжения и токи источников, температура компонентов, параметры моделей, глобальные параметры.

4.6. Анализ Монте-Карло

Элементы реальных цепей всегда имеют случайные отклонения от номинальных значений. Программа Pspice позволяет моделировать характеристики электронных цепей с учетом статистического разброса параметров компонентов. В ходе одного цикла статистического анализа цепь может моделироваться несколько сотен раз.

4.7. Моделирование цифровых и аналого-цифровых устройств

Ранние версии программ схемотехнического моделирования были предназначены только для моделирования аналоговых устройств.

Современные версии среды Pspice позволяют проводить моделирование не только аналоговых, но и цифровых, а также комбинированных аналого-цифровых схем.

Смешанные аналого-цифровые устройства моделируются в режимах DC или Transient. Режим расчета цепей постоянного тока позволяет определить логические уровни выходных сигналов цифровых устройств. При расчете частотных характеристик (режим AC Sweep) цифровая часть смешанного аналого-цифрового устройства игнорируется и определяются характеристики только аналоговой части.

При моделировании цифровых устройств предоставляются следующие возможности:

а) использование примитивов цифровых устройств и их комбинаций;

б) использование моделей реальных цифровых устройств.

При моделировании аналого-цифровых устройств осуществляется их стыковка с применением аналого-цифрового (A/D) и цифро-аналогового (D/A) интерфейсов, подключаемых автоматически.

Аналго-цифровой интерфейс предназначен для преобразования аналогового напряжения в логический уровень. Он имитирует входные каскады цифровых ИС. Pspice автоматически расщепляет узел, к которому подключены аналоговое и цифровое устройства. Аналоговый узел характеризуется электрическим напряжением, а цифровой – логическим состоянием. Аналого-цифровой интерфейс включается между вновь образованными узлами.

Цифро-аналоговый интерфейс предназначен для преобразования логических сигналов на выходе цифровых устройств в аналоговое напряжение. Аналоговое напряжение образуется с помощью источника постоянного напряжения и резистивного делителя. Сопротивление нелинейных резисторов изменяется в соответствии с уровнем цифрового сигнала.

В библиотеках содержатся источники цифровых сигналов с широким набором функциональных свойств.

При использовании промышленно выпускаемых ТТЛ компонентов Spice позволяет использовать стандартное напряжение питания (1.2B, 1.8B, 3.3B, 5В).

Основные характеристики моделей цифровых устройств.

а) Функциональная зависимость: описывается уровнем затвора и цифровыми примитивами поведения, включенными в подсхему.

б) Зависимости вход-выход: описываются моделью вход-выход, интерфейсом подсхемы и источником питания, относящимися к семейству логических элементов.

в) Временные зависимости: описаны одной или более временными моделями, примитивами задержки между выводами или примитивами проверки состояния.

При моделировании аналого-цифровых устройств осуществляется их стыковка с применением стандартных A/D и D/A интерфейсов, подключаемых автоматически.

5. Библиотеки элементов. Состав, структура библиотек элементов для схемотехнического моделирования с проектными нормами 90 нм БиКмоп технологии

5.1. Библиотека элементов БиКмоп технологии

На рис. 5.1 представлен состав библиотеки (PDK) БиКМОП технологии. В него входит описание проектных норм с соответствующими файлами (PS, DRC, LVS, RCX), библиотека элементов со всеми необходимыми техническими и программными файлами. В составе описания должны быть документы: топологических норм (DRC-rul), параметры (CDF, spice-параметры на уровне модели) библиотечных элементов - это обязательные, и другие файлы, например описание правил установки, маршрута проектирования.

Все проекты имеют схожую иерархическую структуру. Проекты состоят из библиотеки, ячеек, видов, и инстанций.

Все данные в Cadence хранятся в библиотеках. Существуют Reference (базовые) библиотеки, в которых находятся основные блоки и библиотеки в которых находятся сами проекты.