приложения к отчету по умк-7

ПРИЛОЖЕНИЕ 7
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»
«УТВЕРЖДАЮ»
Ректор МИЭТ
чл.-корр. РАН
____________________ Ю.А. Чаплыгин
«_____» _____________________ 2011 г.
ПРОГРАММА ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
«СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ
С ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ НОРМАМИ 90 НМ»
2011 г.
1
Рабочая программа профессионального модуля утверждена на заседании учебно-методического
совета образовательных программ опережающей профессиональной подготовки (уровень магистратура)
и
переподготовки
в
области
проектирования и
производства
топологическими нормами 90 нм, протокол от 16 ноября 2011 г. № 2.
Организация-разработчик: Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Авторы:
Мушта А.И. к.т.н., профессор
Сумин А.М., аспирант
2
СБИС
с
СОДЕРЖАНИЕ
1. ПАСПОРТ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ............................................... 4
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ............................................ 6
3. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ..................................... 7
4. УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ ................... 9
5. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
МОДУЛЯ (ВИДА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ) ................................................. 11
3
1. ПАСПОРТ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
«СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ
С ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ НОРМАМИ 90 НМ»
1.1. Область применения программы
Программа профессионального модуля является частью профессиональной образовательной
программы опережающей переподготовки специалистов по проектированию ультрабольших
интегральных микросхем с топологическими нормами 90 нм в части освоения вида
профессиональной деятельности: проектирование ультрабольших интегральных микросхем с
топологическими нормами 90 нм и соответствующих профессиональных компетенций (ПК).
1. Базовые компетенции (знания) БКЗ
- Знание основ теории автоматизированного проектирования, моделирования и характеризации
УБИС топологическими нормами до 90 нм;
- Знание методологии и маршрутов проектирования аналоговых схем и устройств смешанного
сигнала (по маршрутам):
- проектирование аналоговых УБИС с топологическими нормами до 90 нм;
- проектирование смешанных УБИС с топологическими нормами до 90 нм;
- Знание теории схемотехнического и физического проектирования аналоговых СБИС с
топологическими нормами до 90нм
2. Базовые компетенции (умения и навыки) БКУ
- Навыки использования современных программных средств Cadence для ускоренного
моделирования и статистического анализа СБИС с топологическими нормами до 90 нм;
-
Навыки использования современных программных средств физического проектирования и
верификации с учетом технологических требований компании Cadence;
-
Умение использовать средства автоматизации проектирования аналоговых и устройств
смешанного сигнала:
- проектирование аналоговых устройств;
- проектирование смешанных устройств.
3. Специальные компетенции (знания) СКЗ
- Знание маршрута проектирования базовых технологических библиотек компонентов с
топологическими нормами до 90 нм для САПР компании Cadence;
- Знание особенностей маршрута проектирования полузаказных и заказных СБИС по
технологическим нормам 90нм
4. Специальные компетенции (умения и навыки) СКУ
4
- Владение пакетами программ Cadence и Mentor Graphics для физической и временной
характеризации и верификации СБИС с топологическими нормами 90 нм;
- Навыки проектирования наноэлектронных СБИС повышенной энергоэффективности с
применением САПР Cadence;
- Умение контролировать параметры разрабатываемых приборов на всех этапах маршрута
проектирования, владение методами физической характеризации и верификации УБИС с
топологическими нормами 90 нм.
1.2. Цели и задачи модуля - требования к результатам освоения модуля
С целью овладения указанным видом профессиональной деятельности и соответствующими
профессиональными компетенциями обучающийся в ходе освоения профессионального модуля
должен:
иметь практический опыт: проектирования аналоговых УБИС с топологическими нормами до
90 нм; проектирования смешанных УБИС с топологическими нормами до 90 нм.
уметь:
использовать
современные
программные
средства
Cadence
для
ускоренного
моделирования и статистического анализа СБИС с топологическими нормами до 90 нм;
использовать современные программные средства физического проектирования с учетом
технологических требований компании Cadence, применять пакеты программ Cadence и Mentor
Graphics для физической и временной характеризации и верификации СБИС с топологическими
нормами 90 нм; проектировать наноэлектронные СБИС повышенной энергоэффективности с
применением САПР Cadence; контролировать параметры разрабатываемых приборов на всех
этапах маршрута проектирования.
знать: основы теории автоматизированного проектирования, моделирования и характеризации
УБИС топологическими нормами до 90 нм; методологию и маршруты проектирования
аналоговых схем и устройств смешанного сигнала; теорию схемотехнического и физического
проектирования
аналоговых
СБИС
с
топологическими
нормами
до
90
нм;
маршрут
проектирования базовых технологических библиотек компонентов с топологическими нормами до
90 нм для САПР компании Cadence; особенности маршрута проектирования полузаказных и
заказных СБИС по технологическим нормам 90нм.
1.3. Рекомендуемое количество часов на освоение программы профессионального модуля:
5
всего - 70 часов, в том числе: максимальной учебной нагрузки обучающегося - 70 часов, включая:
обязательной аудиторной учебной нагрузки обучающегося - 34 часов.
6
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
Результатом освоения программы профессионального модуля является овладение обучающимися
видом профессиональной деятельности «Схемотехническое проектирование аналоговых устройств с
топологическими нормами 90 нм», в том числе профессиональными компетенциями (ПК):
Код ПК
БКЗ-1
БКЗ-2
БКЗ-2.1
БКЗ-2.3
БКЗ-3
БКУ-1
БКУ-2
БКУ-3
БКУ-3.1
БКУ-3.3
СКЗ-1
СКЗ-2
СКУ-1
СКУ-2
СКУ-3
Наименование результата обучения
Знание основ теории автоматизированного проектирования, моделирования и
характеризации УБИС топологическими нормами до 90 нм
Знание методологии и маршрутов проектирования цифровых, аналоговых схем и
устройств смешанного сигнала (по маршрутам)
Знание методологии и маршрутов проектирования аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала по маршруту проектирование аналоговых УБИС с топологическими
нормами до 90 нм
Знание методологии и маршрутов проектирования аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала по маршруту проектирование смешанных УБИС с топологическими
нормами до 90 нм
Знание теории схемотехнического и физического проектирования аналоговых СБИС с
топологическими нормами до 90нм
Навыки использования современных программных средств Cadence для ускоренного
моделирования и статистического анализа СБИС с топологическими нормами до 90нм
Навыки использования современных программных средств физического проектирования
и верификации с учетом технологических требований компании Cadence
Умение использовать средства автоматизации проектирования цифровых, аналоговых и
устройств смешанного сигнала
Умение использовать средства автоматизации проектирования аналоговых устройств
Умение использовать средства автоматизации проектирования смешанных устройств
Знание маршрута проектирования базовых технологических библиотек компонентов с
топологическими нормами до 90 нм для САПР компании Cadence
Знание особенностей маршрута проектирования полузаказных и заказных СБИС по
технологическим нормам 90нм
Владение пакетами программ Cadence и Mentor Graphics для физической и временной
характеризации и верификации СБИС с топологическими нормами 90нм
Навыки проектирования наноэлектронных СБИС повышенной энергоэффективности с
применением САПР Cadence
Умение контролировать параметры разрабатываемых приборов на всех этапах маршрута
проектирования, владение методами физической характеризации УБИС с
топологическими нормами 90 нм
7
3. СТРУКТУРА И ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
3.1. Тематический план профессионального модуля
Коды
профессиональных
компетенций
1
БКЗ-1, БКЗ-2.1, БКЗ3, БКУ-1, БКУ-2,
КУ-3.1, БКУ-3.3,
СКЗ-1, СКЗ-2, СКУ2, СКУ-3
Наименования разделов
профессионального
модуля
Всего часов
(макс. учебная
нагрузка и
практики)
2
Раздел 2.
Проектирование
аналоговых устройств
УБИС.
3
70
Всего:
70
Объем времени, отведенный на освоение
междисциплинарного курса (курсов)
Обязательная аудиторная
учебная нагрузка
обучающегося
Всего,
в т.ч.
часов
лабораторны
е работы и
практические
занятия,
часов
4
5
17
34
34
8
17
Самостоятельна
я работа
обучающегося,
часов
6
36
36
Производственное
обучение (в т.ч.
производственная
практика)
Учебная, Производстве
часов
нная,
часов
(если
предусмотрен
а
рассредоточен
ная практика)
7
8
-
-
-
-
3.2. Содержание обучения по профессиональному модулю (ПМ)
Наименование разделов
профессионального модуля
(ПМ), междисциплинарных
курсов (МДК) и тем
Раздел ПМ 1.
Проектирование
аналоговых устройств
УБИС
МДК 1.1.
«Схемотехническое
моделирование аналоговых
устройств УБИС»
Тема 1.1.
«Схемотехническое
моделирование аналоговых
устройств УБИС»
Содержание учебного материала, лабораторные работы и практические занятия,
самостоятельная работа обучающихся, курсовая работ (проект) (если предусмотрены)
Объем
часов
Уровень
освоения
70
70
Содержание
1
Основы аналогового моделирования
1
6
2
Библиотеки и модели элементов
3
Аналоговое моделирование
Лабораторные работы
1
Лабораторная работа № 1. Среда проектирования аналоговых устройств Cadence
2
Лабораторная работа № 2. Аналоговое моделирование в симуляторе Spectra
3
Лабораторная работа № 3. Аналоговое моделирование в симуляторе UlitraSim
Самостоятельная работа при изучении раздела ПМ 2 (МДК 2.1) Рефераты «Принципы аналогового моделирования»,
«Библиотеки элементов для схемотехнического моделирования с проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии»,
«Язык SPICE», «Особенности моделирования в симуляторе Spectra»
9
5
6
8
5
4
36
2
3
4. УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ
4.1. Требования к минимальному материально-техническому обеспечению
Реализация программы модуля предполагает наличие специализированных учебных лабораторий,
оснащенных рабочими станциями с ОС Linux.
4.2. Информационное обеспечение обучения
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Основные источники:
1.
Reference Manual For Generic 90nm Salicide 1.2V/2.5V 1P 9M Process Design Kit (PDK) Revi-
sion 4.5. Cadence Design Systems
2.
GPDK 90 nm Mixed Signal GPDK Spec. Cadence Design Systems
3.
Сафонов И.А., Шеховцев Д.В. Методология проектирования аналоговых устройств УБИС.
Моделирование аналоговых устройств. Конспект лекций. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010
4.
Virtuoso® Spectre® Circuit Simulator Reference. Cadence Design Systems
5.
Virtuoso® Spectre® Circuit Simulator User Guide. Cadence Design Systems
6.
Русанов А.В., Сафонов И.А., Среда проектирования аналоговых устройств Cadence.
Методические указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
7.
Русанов А.В., Сумин А.М. Аналоговое моделирование в симуляторе Spectra. Методические
указания к лабораторным работам. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
8.
Шеховцев Д.В. Аналоговое моделирование в симуляторе UlitraSim. Методические указания к
лабораторным работам. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010
9.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том I: Пер. с нем. - М.: ДМК
Пресс, 2008. - 832 с.
10.
Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Том II: Пер. с нем. - М.: ДМК
Пресс, 2007. - 942 с.
11.
Сафонов И.А., Сумин А.М. Схемотехническое проектирование аналоговых устройств.
Конспект лекций. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
12.
Русанов А.В. Схемотехническое проектирование источников тока и токовых зеркал.
Методические указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
13.
Макеев С.Н Схемотехническое проектирование усилителей с общим истоком и истоковых
повторителей. Методические указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т,
2010.
14.
Макеев С.Н Схемотехническое проектирование дифференциальных каскадов усиления.
Методические указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
10
15.
Сумин А.М. Тарасов В.С. Схемотехническое проектирование операционных усилителей.
Методические указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
16.
Котенев А.В. Схемотехническое проектирование резистивно-емкостных каскадов усиления.
Методические указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
17.
Шеховцев Д.В. Схемотехническое проектирование преобразователя частоты. Методические
указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010
18.
Русанов А.В., Сафонов И.А. Проектирование топологии аналоговых устройств. Конспект
лекций. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
19.
Кирпичев Г.А., Русанов А.В., Сумин А.М. Проектирование топологии аналогового
устройства на примере операционного усилителя. Методические указания к лабораторным
работам. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010
20.
Русанов А.В., Котенев А.В. Физическая и функциональная верификация топологии
аналоговых устройств. Конспект лекций. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
21.
Русанов А.В., Котенев А.В. Физическая и функциональная верификация топологии
аналоговых устройств. Методические указания к лабораторным работам. Воронеж: Воронеж. гос.
техн. ун-т, 2010.
Дополнительные источники:
1.
Наундорв Уве. Аналоговая электроника. Основы, расчет, моделирование. Москва:
Техносфера, 2008.- 472 с.
2.
Антипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование
радиоэлектронных устройств. Москва: Техносфера, 2007.- 128с.
4.3. Общие требования к организации образовательного процесса
Для реализации компетентностного подхода при изучении дисциплин профессионального модуля
используются:
в лекционном курсе конспекты лекций, презентации по теме, согласно содержанию дисциплины ;
в качестве самостоятельной работы специалистов подготовка, доклад и обсуждение рефератов по
тематике дисциплины, подготовка к лекциям по конспектам.
Рубежный контроль текущей успеваемости в виде компьютерного тестирования.
4.4. Кадровое обеспечение образовательного процесса
Требования
к
квалификации
педагогических
кадров,
обеспечивающих
обучение
по
междисциплинарному курсу (курсам): доктора и кандидаты наук, а также аспиранты, имеющие
11
опыт практической и научно-методической работы в области проектирования УБИС с
топологическими нормами порядка 90 нм.
12
5. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
МОДУЛЯ (ВИДА ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ)
Образовательное учреждение, реализующее подготовку по программе профессионального модуля,
обеспечивает организацию и проведение текущего и итогового контроля демонстрируемых
обучающимися знаний, умений и навыков. Текущий контроль проводится преподавателем в
процессе обучения. Итоговый контроль проводится экзаменационной комиссией после обучения
по междисциплинарному курсу.
Формы и методы текущего и итогового контроля по профессиональному модулю разрабатываются
образовательным учреждением и доводятся до сведения обучающихся в начале обучения.
Для текущего и итогового контроля образовательными учреждениями создаются фонды
оценочных средств (ФОС). ФОС включают в себя педагогические контрольно-измерительные
материалы,
предназначенные
для
определения
соответствия
(или
несоответствия)
индивидуальных образовательных достижений основным показателям результатов подготовки
(таблицы).
Раздел (тема)
междисциплинарног
о курса
№2
«Проектирование
аналоговых
устройств УБИС»
Результаты
(освоенные
профессиональные
компетенции)
БКЗ-1
БКЗ-2.1
БКЗ-3
БКУ-1
БКУ-2
БКУ-3.1
БКУ-3.3
СКЗ-1
СКЗ-2
СКУ-2
СКУ-3
Основные показатели
результатов подготовки
Обоснование схем построения,
принципов использования в
аналоговых УБИС. Выполнение
моделирования аналоговых
устройств: источников тока и
токовых зеркал, стоковых
повторителей, резистивноемкостных каскадов усиления,
дифференциальных каскадов
усиления, операционных
усилителей, компараторов,
преобразователей частоты,
умножителей частоты,
модуляторов.
Выполнение схемотехнического
аналогового моделирования
(моделирование по постоянному
току, в частотной и временной
области) в различных режимах на
основе библиотек элементов для
схемотехнического
моделирования с проектными
нормами 90 нм БиКМОП
технологии
Создание топологии аналоговых
устройств по проектным нормам
БиКМОП 90 нм, особенности
13
Формы и
методы
контроля
Тест
проектирования топологии
аналоговых УБИС.
Оценка знаний, умений и навыков по результатам текущего и итогового контроля производится в
соответствии с универсальной шкалой (таблица).
Процент
результативности
(правильных ответов)
90 ÷ 100
80 ÷ 89
70 ÷ 79
Менее 70
Качественная оценка индивидуальных
образовательных достижений
балл (отметка)
вербальный аналог
5
Отлично
4
Хорошо
3
Удовлетворительно
2
Не удовлетворительно
На этапе промежуточной аттестации по медиане качественных оценок индивидуальных
образовательных достижений экзаменационной комиссией определяется интегральная оценка
освоенных обучающимися профессиональных и общих компетенций как результатов освоения
профессионального модуля.
14
1. ПАСПОРТ ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ»
1.1. Область применения программы
Программа учебной дисциплины является частью профессиональной образовательной программы
опережающей переподготовки специалистов по проектированию ультрабольших интегральных
микросхем с топологическими нормами 90 нм
по профессиональной деятельности:
проектирование ультрабольших интегральных микросхем с топологическими нормами 90 нм.
1.2. Место дисциплины в структуре профессиональной образовательной программы:
Дисциплина входит в состав модуля «Схемотехническое проектирование аналоговых устройств
УБИС с топологическими нормами 90 нм» опережающей переподготовки специалистов по
направлению «Проектирование и производство СБИС с проектными нормами 90 нм».
Для изучения данной дисциплины специалист должен владеть знаниям, умениями и
профессиональными
«Методология
компетенциями
проектирования
в
рамках
аналоговых
предшествующих
устройств
модулей
УБИС»
и
и
дисциплин
«Схемотехническое
проектирование аналоговых устройств УБИС». В том числе:
Входные знания:
Знание основ теории автоматизированного проектирования, моделирования и характеризации
УБИС топологическими нормами до 90 нм (БКЗ-1);
Знание методологии и маршрутов проектирования цифровых, аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала (проектирование аналоговых УБИС с топологическими нормами до 90 нм - БКЗ2.1).
Умения:
Умение использовать средства автоматизации проектирования цифровых, аналоговых и устройств
смешанного сигнала (проектирование аналоговых устройств - БКУ-3.1).
Профессиональные компетенции:
Знание
маршрута
проектирования
базовых
технологических
библиотек
компонентов
с
топологическими нормами до 90 нм для САПР компании Cadence (СКЗ-1);
Знание
особенностей
маршрута
проектирования
полузаказных
и
заказных
СБИС
по
технологическим нормам 90нм (СКЗ-2).
1.3. Цели и задачи учебной дисциплины - требования к результатам освоения дисциплины:
15
Целью дисциплины является теоретическая и практическая подготовка специалистов в области
схемотехнического моделирования и проектирования аналоговых интегральных схем по
субмикронным топологическим нормам, по БиКМОП технологии.
Рассматриваются принципы схемотехнического аналогового моделирования, виды и типы анализа
(моделирование по постоянному току, в частотной и временной области). Изучаются особенности
моделирования аналоговых блоков в различных режимах. Проводится обзор расширенных видов
анализа, таких как спектральный анализ, анализ шумов, анализ чувствительности. Изучаются
состав, структура библиотек элементов для схемотехнического моделирования с проектными
нормами 90 нм БиКМОП технологии.
Основные задачи дисциплины состоят в:
- изучении основ аналогового моделирования интегральных схем в современных САПР;
- формировании у специалиста практического опыта разработки проектирования базовых
аналоговых устройств.
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
Знание основ теории автоматизированного проектирования, моделирования и характеризации
УБИС топологическими нормами до 90 нм (БКЗ-1);
Знание методологии и маршрутов проектирования цифровых, аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала (проектирование аналоговых УБИС с топологическими нормами до 90 нм - БКЗ2.1);
Знание теории схемотехнического и физического проектирования аналоговых СБИС с
топологическими нормами до 90 нм (БКЗ-3);
Навыки
использования
современных
программных
средств
Cadence
для
ускоренного
моделирования и статистического анализа СБИС с топологическими нормами до 90 нм (БКУ-1);
Умение использовать средства автоматизации проектирования цифровых, аналоговых и устройств
смешанного сигнала (проектирование аналоговых устройств - БКУ-3.1);
Знание
маршрута
проектирования
базовых
технологических
библиотек
компонентов
с
топологическими нормами до 90 нм для САПР компании Cadence (СКЗ-1);
Знание
особенностей
маршрута
проектирования
полузаказных
и
заказных
СБИС
по
технологическим нормам 90нм (СКЗ-2);
Умение контролировать параметры разрабатываемых приборов на всех этапах маршрута
проектирования, владение методами физической характеризации и верификации УБИС с
топологическими нормами 90 нм (СКУ-3).
В результате изучения дисциплины студент должен:
16
Знать: маршрут аналогового моделирования и проектирования аналоговых интегральных схем,
состав и структуру технологических библиотек для аналогового синтеза интегральных схем,
методы частотно-временного анализа, анализа на постоянном токе, параметрические анализы
базовых аналоговых устройств, теории автоматизированного проектирования и моделирования
СБИС с топологическими нормами до 90 нм.
Уметь:
использовать
современные
программные
средств
Cadence
для
моделирования,
использовать технологические библиотеки, проводить моделирование базовых аналоговых
интегральных
схем,
контролировать
параметры
разрабатываемых
приборов
на
этапе
моделирования УБИС с топологическими нормами 90 нм.
Владеть: средствами автоматизации проектирования аналоговых устройств, ускоренного
моделирования фирмы Cadence, методами частотно-временного анализа, методами анализа на
постоянном токе, методами параметрического анализа базовых аналоговых устройств.
1.4. Рекомендуемое количество часов на освоение учебной дисциплины:
максимальной учебной нагрузки обучающегося 68 часов, в том числе:
обязательной аудиторной учебной нагрузки обучающегося 34 часа.
17
2. СТРУКТУРА И ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Объем учебной дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Количество
часов
Максимальная учебная нагрузка (всего)
68
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего)
34
в том числе:
лабораторные занятия
17
практические занятия
-
контрольные работы
-
Итоговая аттестация в форме экзамена
18
2.2. Примерный тематический план и содержание учебной дисциплины
«Схемотехническое моделирование аналоговых устройств УБИС»
Наименование
разделов и тем
1
Раздел 1.
Основы
аналогового
моделировани
я
Тема 1.1.
Содержание учебного материала, лабораторные и практические работы обучающихся. (если
предусмотрены)
2
Содержание учебного материала
Среда проектирования аналоговых устройств.
Маршрут проектирования аналоговых устройств Cadence IC. Средства схемотехнического
моделирования. Симулятор Spectra и UlitraSim
Тема 1.2.
Тема 1.3.
Раздел 2.
Библиотеки и
модели
элементов
Тема 2.1.
Тема 2.2.
Количест
во часов
3
Уровень
освоения
4
2
1
2
Содержание учебного материала
Принципы аналогового схемотехнического моделирования.
Виды и типы анализа
Содержание учебного материала
Расширенные виды анализа
Самостоятельная работа: реферат «Принципы аналогового моделирования»
2
2
3
8
Содержание учебного материала
Библиотеки элементов
Состав, структура библиотек элементов для схемотехнического моделирования с проектными нормами
90 нм БиКМОП технологии
Содержание учебного материала
Модели элементов. Их параметры.
3
3
2
3
Раздел 3.
Аналоговое
моделировани
е
Тема 3.1.
Тема 3.2.
Тема 3.3.
Лабораторные занятия: Среда проектирования аналоговых устройств Cadence
8
Самостоятельная работа: реферат «Библиотеки элементов для схемотехнического моделирования с
проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии»
9
Содержание учебного материала
Задание на моделирование. Список соединений. Язык SPICE
Содержание учебного материала
Симулятор Spectra
Особенности моделирования в симуляторе Spectra. Отличия от стандартного SPICE.
Содержание учебного материала
Симулятор UltraSim
Лабораторные занятия:
Схемотехническое моделирование в симуляторе Spectra
Схемотехническое моделирование в симуляторе UltraSim
Введение в САПР Cadence. Схемотехническое моделирование в Virtuoso Schematic Editor
Самостоятельная работа: реферат «Язык SPICE», «Особенности моделирования в симуляторе Spectra»
2
5
4
8
17
Всего:
51
20
3
2
2
2
3
3. УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
3.1. Требования к материально-техническому обеспечению
Реализация программы модуля предполагает наличие специализированных учебных лабораторий,
оснащенных рабочими станциями с ОС Linux: Дизайн-центра ОАО «Концерн «Созвездие» и ГОУ
ВПО «Воронежский государственный технический университет». САПР Cadence IC.
Программное и коммуникационное обеспечение: САПР Cadence IC
Рубежный контроль текущей успеваемости в виде компьютерного тестирования.
Для реализации компетентностного подхода при изучении дисциплин используются:
в лекционном курсе конспекты лекций, презентации по теме, согласно содержанию дисциплины.
в качестве самостоятельной работы специалистов подготовка, доклад и обсуждение рефератов по
тематике дисциплины, подготовка к лекциям по конспектам.
Кроме того, в рамках учебного курса предусмотрена встреча с ведущими специалистами: ОАО
«Концерн «Созвездие», ФГУП «НИИЭТ», «MicroDesign».
3.2. Информационное обеспечение обучения
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы
Основные источники:
1. Virtuoso® Spectre® Circuit Simulator Reference. Cadence Design Systems
2. Virtuoso® Spectre® Circuit Simulator User Guide. Cadence Design Systems
3. Reference Manual For Generic 90nm Salicide 1.2V/2.5V 1P 9M Process Design Kit (PDK) Revision
4.5. Cadence Design Systems
4. GPDK 90 nm Mixed Signal GPDK Spec. Cadence Design Systems
5. Сафонов И.А., Сумин А.М. Моделирование аналоговых устройств. Конспект лекций. Воронеж:
Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
6. Русанов А.В., Сафонов И.А., Среда проектирования аналоговых устройств Cadence.
Методические указания к лабораторной работе. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
7. Русанов А.В., Сумин А.М. Аналоговое моделирование в симуляторе Spectra. Методические
указания к лабораторным работам. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010.
8. Шеховцев Д.В. Аналоговое моделирование в симуляторе UlitraSim. Методические указания к
лабораторным работам. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2010
Дополнительные источники:
1. Наундорв Уве. Аналоговая электроника. Основы, расчет, моделирование. Москва: Техносфера,
2008.- 472
2. Антипенский Р.В., Фадин А.Г. Схемотехническое проектирование и моделирование
радиоэлектронных устройств. Москва: Техносфера, 2007.- 128с.
21
4. КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Образовательное учреждение, реализующее подготовку по учебной дисциплине, обеспечивает
организацию и проведение промежуточной аттестации и текущего контроля демонстрируемых
обучающимися знаний, умений и навыков. Текущий контроль проводится преподавателем в
процессе проведения практических занятий и лабораторных работ, тестирования, а также
выполнения обучающимися индивидуальных заданий. Формы и методы текущего контроля по
учебной дисциплине самостоятельно разрабатываются образовательным учреждением и доводятся
до сведения обучающихся в начале обучения.
Для текущего контроля образовательными учреждениями создаются фонды оценочных средств
(ФОС).
ФОС включают в себя педагогические контрольно-измерительные материалы, предназначенные
для
определения
соответствия
(или
несоответствия)
индивидуальных
образовательных
достижений основным показателям результатов подготовки (таблицы).
Раздел (тема) учебной
дисциплины
№1
«Основы аналогового
моделирования»
№2
«Библиотеки и модели
элементов»
№3
«Аналоговое
моделирование»
Результаты
(освоенные умения,
усвоенные знания)
БКЗ-1
БКЗ-2.1
БКЗ-3
Основные показатели
результатов подготовки
Обоснование выбора
схемотехнического аналогового
моделирования, виды и типы
анализа
Создание модели на основе
библиотек элементов для
схемотехнического
моделирования с проектными
нормами 90 нм БиКМОП
технологии.
Выполнение схемотехнического
аналогового моделирования
(моделирование по постоянному
току, в частотной и временной
области).
СКЗ-1
БКЗ-2.1
БКУ-1
БКУ-3.1
СКЗ-2
СКУ-3
Формы и
методы
контроля
тест
тест
тест
Оценка знаний, умений и навыков по результатам текущего контроля производится в
соответствии с универсальной шкалой (таблица).
Процент
результативности
(правильных ответов)
90 ÷ 100
80 ÷ 89
70 ÷ 79
Менее 70
Качественная оценка индивидуальных
образовательных достижений
балл (отметка)
вербальный аналог
5
Отлично
4
Хорошо
3
Удовлетворительно
2
Не удовлетворительно
На этапе промежуточной аттестации по медиане качественных оценок индивидуальных
образовательных достижений экзаменационной комиссией определяется интегральная оценка
22
освоенных обучающимися профессиональных и общих компетенций как результатов освоения
профессионального модуля.
23
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯМ
Образовательные цели и ожидаемые результаты курса
Целью дисциплины является теоретическая и практическая подготовка специалистов в
области схемотехнического моделирования аналоговых интегральных схем по субмикронным
топологическим нормам по БиКМОП технологии.
Рассматриваются принципы схемотехнического аналогового моделирования, виды и типы
анализа (моделирование по постоянному току, в частотной и временной области). Изучаются
особенности моделирования аналоговых блоков в различных режимах. Проводится обзор
расширенных видов анализа, таких как спектральный анализ, анализ шумов, анализ
чувствительности. Изучаются состав, структура библиотек элементов для схемотехнического
моделирования с проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии.
Основные задачи дисциплины состоят в:
- изучении основ аналогового моделирования интегральных схем в современных САПР;
- формировании у специалиста практического опыта разработки проектирования базовых
аналоговых устройств.
Освоение
курса
позволяет
повысить
заинтересованность,
творческий
потенциал,
профессиональный уровень и квалификацию молодых специалистов и преподавательского
состава,
обеспечить
повышение
качества
и
сокращение
сроков
автоматизированного
моделирования аналоговых устройств по субмикронным топологическим нормам, по БиКМОП
технологии.
Список обязательной и дополнительной учебной литературы по курсу
1. Mantooth A., Chaudhary V., Francis M., and Lemaitre L., Automatic Generation of Compact
Semiconductor Device Models using Paragon and ADMS // BMAS 2004 - http://www.bmas-conf.org.
2. Cadence Virtuoso Custom Design platform overview // Cadence Design Systems, Inc., 2003.
3. Wang S., An-Chang Deng. Delivering a Full-chip Hierarchical Circuit Simulation & Analysis
Solution for Nanometer Designs // White paper of Nassda Corporation, 2001.
4. Virtuoso® UltraSim Simulator User Guide, Version 6.0 // Cadence Design Systems, Inc., May
2005.
5. Денисенко В.В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС //
Компоненты и технологии. - 2002. - № 3. - С. 74-78.
6. Spectre® Circuit Simulator User Guide, Version 6.0 // Cadence Design Systems, Inc., November 2004.
1
7. K. Kundert. The Designer's Guide to SPICE and Spectre® // Kluwer Academic Publishers,
1995.
8. K. Kundert, O. Zinke. Designer's Guide to VERILOG-AMS // Kluwer Academic Publishers,
2004.
Лекция № 1. Тема: Понятие «моделирование». Проблемы схемотехнического моделирования.
Уделить внимание понятию «моделирование». Рассмотреть проблемы, связанные с
точностью проведения моделирования с применением существующих САПР, в связи с переходом
технологии производства ИС в субмикронную, в частности в нанометровую область. В связи с
этим, определяются задачи схемотехнического моделирования на современном этапе.
Лекция № 2. Среда проектирования аналоговых устройств. Маршрут моделирования и
проектирования аналоговых устройств Cadence IC.
Рассмотреть среду проектирования аналоговых устройств Cadence IC, уделить внимание
описанию процедур проведения анализа и моделирования аналоговых электронных устройств с
применением прикладной платформы Virtuoso Cadence IC
Лекция № 3. Принципы аналогового схемотехнического моделирования. Виды и типы
анализа.
Рассмотреть классы аналоговых электронных устройств, и основные принципы их
моделирования на каждом этапе проектирования. Рассмотреть подробно виды и типы анализа,
необходимые и применяемые на каждом этапе моделирования и разработки аналоговых
устройств.
Лекция № 4. Расширенные виды анализа.
Выделить и дать под запись общие положения математической формулировки задач
моделирования элементов БИС, детально рассмотреть процедуры
уравнений основных
физических процессов внутри структур приборов и граничных условий. Привести примеры
дополнительных видов анализа аналоговых электронных устройств в САПР Cadence.
Лекция № 5. Библиотеки элементов. Состав, структура библиотек элементов для
схемотехнического моделирования с проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии.
Уделить внимание правилам и нормам проектирования. Объяснить назначение необходимых
технологических файлов (PS, DRC, LVS, RCX), входящих в состав библиотеки (PDK) БиКМОП
технологии 90 нм. Дать общий обзор об инструментах моделирования - «Spectre», «UltraSim»,
инструментам создания схематики и топологии аналоговых устройств, таких как ComposerSchematic и Virtuoso Layout Editor. Обсудить с аудиторией
проектирования.
Лекция № 6. Модели элементов. Их параметры.
2
примеры описания правил
Дать под запись примеры описания моделей элементов (резисторов, конденсаторов,
биполярные транзисторы,
МОП - транзисторы, источники питания и сигналов в виде spice-
параметров.
Лекция № 7. Задание на моделирование. Список соединений. Язык SPICE.
Разьяснить принципы составления задания моделирования аналоговых электронных
устройств с применением унифицированных алгоритмов языка spice, уделить внимание отдельно
расчетам режимов по постоянному току, многовариантного расчета режима по постоянному току,
расчет малосигнальных чувствительностей
Лекция № 8. Методики проектирования автоматизированных систем.
Лекция обзорная, с целью введения в принципы построения систем синтеза и моделирования
электронных устройств на современном этапе. Уделяется внимание особенностям проектирования
автоматизированных систем для анализа электронных устройств.
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
1) Знание
основ
теории
автоматизированного
проектирования,
модели-рования
и
характеризации УБИС топологическими нормами до 90 нм.
2) Знание методологии и маршрутов моделирования аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала (проектирование аналоговых УБИС с топологическими нормами до 90 нм.
3) Знание теории схемотехнического и физического проектирования аналоговых СБИС с
топологическими нормами до 90 нм.
4) Навыки использования современных программных средств Cadence для ускоренного
моделирования и статистического анализа СБИС с топологическими нормами до 90 нм.
5) Умение использовать средства автоматизации проектирования цифровых, аналоговых и
устройств смешанного сигнала (проектирование аналоговых устройств.
6) Знание маршрута моделирования базовых технологических библиотек компонентов с
топологическими нормами до 90 нм для САПР компании Cadence.
7) Умение контролировать параметры разрабатываемых приборов на всех этапах маршрута
проектирования, владение методами физической характеризации и верификации УБИС с
топологическими нормами 90 нм.
3
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЕ СЛУШАТЕЛЕЙ
В качестве самостоятельной работы слушателей по данной дисциплине в рабочей учебной
программе предусмотрено индивидуальное выполнение десяти рефератов:
1) «Принципы аналогового моделирования»
2) «Библиотеки элементов для схемотехнического моделирования с проектными нормами 90
нм БиКМОП технологии»
3) «Язык SPICE»
4) «Параметры аналоговых устройств»
5) «Схемотехника и топологические особенности каскадов на МОП транзисторах»
6) «Коммерческие фабрики по производству ИС»
7) «Методологии и маршруты проектирования цифровых, аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала»
8) «Технические условия ИС»
В теме «Принципы аналогового моделирования» рассмотреть проблемы, связанные с
точностью проведения моделирования с применением существующих САПР, в связи с переходом
технологии производства ИС в субмикронную, в частности в нанометровую область
В теме «Библиотеки элементов для схемотехнического моделирования с проектными
нормами 90 нм БиКМОП технологии» рассмотреть среду проектирования аналоговых устройств
Cadence IC, подробно пояснить назначение технологических норм и правил моделирования
В теме «Язык SPICE» описать историю развития языка spice, уделить внимание
особенностям устройств, реализованных с применением данного алгоритма
В теме «Параметры аналоговых устройств» материал уделяется основному классу усилителям. В связи с этим, необходимо в теме раскрыть классы, типы УУ, рассмотреть основные
параметры каждого класса и типа.
В теме «Схемотехника и топологические особенности каскадов на МОП транзисторах»
рассмотреть физику работы полевого транзистора, его строение, уделить внимание схемам
построения каскадов на МОП-транзисторах
В реферате «Коммерческие фабрики по производству ИС» описать истории развития и
совершенствования технологии производства УБИС, описать известные на сегодняшний день
фабрики по проектированию и производству УБИС (зарубежные и отечественные), детально
уделить внимание трудностям, которые существуют на этапе производства.
В теме «Методологии и маршруты проектирования цифровых, аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала» описать базовые этапы проектирования УБИС разного типа сигналов,
указать различие и общее сходство для всех типов схем
4
В реферате «Технические условия ИС» раскрыть сам термин «технические условия»,
пояснить, что в себя включает данный термин, какими способами достигается и что необходимо
соблюдать в процессе моделирования УБИС, чтобы достичь заявленных параметров.
Методические указания слушателям
Рабочая учебная программа предусматривает по дисциплине курс из восьми лекций и
самостоятельную работу слушателей в виде рефератов. Основой для изучения дисциплины
является лекции преподавателя, конспекты лекций и образовательные ресурсы по дисциплине.
Для реализации компетентностного подхода при изучении дисциплин используются:
1) в лекционном курсе конспекты лекций, презентации по теме, согласно содержанию
дисциплины;
2) в качестве самостоятельной работы специалистов подготовка, доклад и обсуждение
рефератов по тематике дисциплины, подготовка к лекциям по конспектам;
3) в
лабораторном
практикуме
индивидуальные
задания
и
консультация
высококвалифицированных специалистов;
4) Кроме того, в рамках учебного курса предусмотрена встреча с ведущими специалистами:
ОАО «Концерн «Созвездие», ФГУП «НИИЭТ», «MicroDesign».
В курсе программы будут рассмотрены принципы схемотехнического аналогового
моделирования, виды и типы анализа (моделирование по постоянному току, в частотной и
временной области); особенности моделирования аналоговых блоков в различных режимах.
Проводится обзор расширенных видов анализа, таких как спектральный анализ, анализ шумов,
анализ
чувствительности.
Изучаются
состав,
структура
библиотек
элементов
для
схемотехнического моделирования с проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии.
Перечень рефератов по дисциплине
По каждому из разделов дисциплины предусматриваются в качестве самостоятельной
индивидуальной работы в виде рефератов на следующие темы:
1) Принципы аналогового моделирования
2) Библиотеки элементов для схемотехнического моделирования с проектными нормами 90
нм БиКМОП технологии
3) Язык SPICE
4) Параметры аналоговых устройств
5) Схемотехника и топологические особенности каскадов на МОП транзисторах
5
6) Основы технологии производства УБИС
7) Топологические библиотеки 90 нм
8) Коммерческие фабрики по производству ИС
9) Методологии и маршрутов проектирования цифровых, аналоговых схем и устройств
смешанного сигнала
10) Технические условия ИС
Цифровые образовательные ресурсы
Весь методический материал по тематике дисциплины, включающий восемь лекций,
лабораторный практикум, тематику рефератов и рекомендации хранится в цифровом виде на
сервере кафедры и представлен в виде презентации Microsoft Office PowerPoint.
1) Mantooth A., Chaudhary V., Francis M., and Lemaitre L., Automatic Generation of Compact
Semiconductor Device Models using Paragon and ADMS // BMAS 2004 - http://www.bmas-conf.org.
2) Cadence Virtuoso Custom Design platform overview // Cadence Design Systems, Inc., 2003.
3) Wang S., An-Chang Deng. Delivering a Full-chip Hierarchical Circuit Simulation & Analysis
Solution for Nanometer Designs // White paper of Nassda Corporation, 2001.
4) Virtuoso® UltraSim Simulator User Guide, Version 6.0 // Cadence Design Systems, Inc., May
2005.
5) Денисенко В.В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС //
Компоненты и технологии. - 2002. - № 3. - С. 74-78.
6) Spectre® Circuit Simulator User Guide, Version 6.0 // Cadence Design Systems, Inc., November 2004.
7) K. Kundert. The Designer's Guide to SPICE and Spectre® // Kluwer Academic Publishers,
1995.
8) K. Kundert, O. Zinke. Designer's Guide to VERILOG-AMS // Kluwer Academic Publishers,
2004.
Вопросы по самопроверке
Тема № 1. Понятие «моделирование». Проблемы схемотехнического моделирования
1)
Дайте определение термину «моделирование».
2)
В чем, по вашему мнению, отличие моделирования от проектирования? Что общего в
этих понятиях?
6
3)
Какими трудностями сопровождается процесс моделирования?
4)
Назовите основные задачи моделирования
5)
С помощью каких средств осуществляется процесс моделирования?
Тема № 2. Среда проектирования аналоговых устройств. Маршрут моделирования и
проектирования аналоговых устройств Cadence IC.
 Как строятся концепции моделирования проектирования аналоговых устройств при
иерархическом проектировании «сверху вниз» и «снизу вверх».
 Назовите основные преимущества и отличия симуляторов для схемотехнического анализа.
 Какие программы по моделированию АИС существуют на современном рынке?
 Поясните
процесс
верификации
аналогового
блока
(устройства)
на
примере
поведенческой модели.
 Что включает в себя процесс исследования архитектуры
 В чем заключается точность построения spice-модели устройства?
Тема № 3. Принципы аналогового схемотехнического моделирования.
1) Перечислите классификации аналоговых интегральных схем.
2) Из каких этапов состоит процесс проектирования АИС. Перечислите и назовите главные
особенности
3) Назовите категории воздействий технологического процесса на схемотехническое
проектирование
4) Какие стандарты моделей ИМС применяются в проектировании?
5) Перечислите основные и дополнительные виды анализа аналоговых интегральных схем.
Какие дополнительные (необходимые) виды анализа вы знаете
6) Опишите процедуру синтеза АИС
Тема № 4. Расширенные виды анализа.
 Для чего нужен анализ Фурье? Для каких сигналов он проводится?
 Когда необходимо проводить дополнительные виды анализа?
 В чем заключается dc-анализ на постоянном токе в окрестности рабочей точки?
 Для каких целей служит анализ чувствительности?
 Какой анализ позволяет определить разброс параметров (характеристик) АИС?
Тема
№
5.
Библиотеки
элементов.
Состав,
структура
библиотек
элементов
для
схемотехнического моделирования с проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии.
1)
Что такое PDK и что он в себе содержит?
2)
Какие программные приложения позволяют провести маршрут схемотехнического и
топологического проектирования?
7
3)
Перечислите основные средства для проверки точности и верности выполнения
проектирования схемы?
4)
Что включают в себя правила проектирования DRC и LVS?
5)
В каких уровнях иерархии позволяет работать САПР Cadence
6)
Что подразумевается под понятием «инстанция»?
7)
Опишите структуру компонентов САПР Cadence
Тема № 6. Модели элементов. Их параметры.
1)
Из каких компонентов состоят параметры макромоделей элементов АИС?
2)
Сколько уровней в описании моделей АИС вам известны?
3)
Как описывается устройство ИС в spice-программе?
4)
В чем отличие моделей Гумеля - Пуна и модели Эберса - Молла для биполярного
транзистора? Что учитывается одной моделью и не учитывается другой?
5)
Какие директивы описания параметров моделей вы знаете?
Тема № 7. Задание на моделирование. Список соединений. Язык SPICE.
1)
Поясните структуру моделирования ИС в spice-программах
2)
Почему spice-алгоритм принят как наиболее универсальным для анализа АИС?
3)
Какие параметры в описании spice-моделей вам известны?
4)
Какие виды анализа возможно провести в spice-программах?
5)
Приведите пример описания алгоритма расчета параметра ИС
Тема № 8. Методики проектирования автоматизированных систем.
 Какие среды проектирования УБИС вам известны
 Что, по вашему мнению, лежит в основе всех систем автоматизированного проектирования
 Какие модели входят в состав разработки систем САПР? Что общего в методологии
разработки САПР и моделирования системы УБИС?
 Какое программное и техническое обеспечение необходимо для реализации задач
проектирования и моделирования?
 Что важно знать при проектировании УБИС и систем САПР?
 Какие меры по безопасности разработки УБИС необходимо предусмотреть, и что будет
являться безопасностью?
8
Конспект лекций
Лекция № 1. Понятие «моделирование». Проблемы схемотехнического моделирования
1. Понятие «моделирование»
При оценке средств моделирования обычно выделяют два основных требования производительность
и
достоверность
получаемых
результатов.
Первое
обусловлено
необходимостью проектировать все более сложные изделия в коммерчески приемлемые сроки.
Второе
-
необходимостью
безошибочного
проектирования,
поскольку
каждая
ошибка
разработчика может обойтись в сотни тысяч долларов.
Базовые математические методы и алгоритмы, используемые при автоматизации расчета
электрических схем, были разработаны сравнительно давно. Однако поиск новых подходов в этой
области идет постоянно при тесном взаимодействии разработчиков САПР и специалистов в
области
численного
моделирования.
На
ранних
этапах
развития
схемотехнического
моделирования основными критериями были экономия машинной памяти и сокращение
временных затрат.
Со временем мощности вычислительных средств выросли, а стоимость оперативной памяти
сильно упала. Однако размеры проектируемых схем также увеличились, и требования к САПР по
сути остались прежними. Но изменились приоритеты. Сегодня на первый план, несомненно,
вышла задача повышения производительности программ моделирования.
Для ее решения в основном используются две группы методов: учет структурных
особенностей проектируемых схем и использование упрощенных моделей элементов. Благодаря
учету структурных особенностей схем можно значительно повысить скорость моделирования и
снизить объем необходимой оперативной памяти, но только для отдельных специальных типов
схем, например схем памяти. Использование упрощенных моделей элементов в программах так
называемого "FastSpice" быстрого схемотехнического моделирования (NanoSim, UltraSim, HSim)
позволяет существенно сократить время моделирования, но приводит к снижению точности
получаемых результатов из-за более грубых моделей. Еще одно направление повышения
производительности моделирования - создание специализированных аппаратных вычислителей, в
которых наиболее трудоемкие вычисления реализованы на аппаратном уровне. Основная
проблема аппаратного подхода - дороговизна, отсутствие универсальности, а также быстрый рост
производительности
вычислительных
систем
общего
назначения,
в
результате
чего
специализированные аппаратные комплексы быстро устаревают. Например, с появлением
многоядерных микропроцессоров рост производительности персональных компьютеров (ПК)
начал превышать рост производительности рабочих станций.
9
При этом цена ПК в разы и даже десятки раз ниже стоимости сопоставимой по
характеристикам рабочей станции. Если алгоритмы и программное обеспечение позволяют
распараллелить процесс вычислений с учетом особенностей многоядерной архитектуры, то
производительность программ моделирования на ПК может быть существенно увеличена.
2. Задачи схемотехнического моделирования СБИС
Целью применения средств автоматизации является сокращение срока выхода на рынок и
снижение стоимости проектирования СБИС. Жесткая конкуренция фактически не оставляет
времени на исправление ошибок, допущенных на стадии проектирования и выявленных после
изготовления кристаллов.
Кроме того, переход к субмикронным технологиям увеличивает цену устранения ошибки,
поскольку возрастает стоимость изготовления пробной партии ИС. Цена одной ошибки в типовых
современных проектах составляет около 1 миллиона долларов. С другой стороны, в
потребительской электронике новые разработки становятся старыми в считанные месяцы.
Поэтому кратчайшие сроки выполнения проектов очень важны для завоевания рынка и
сохранения позиций на нем.
Для получения конкурентных преимуществ выполняется также оптимизация проекта на
схемотехническом уровне по критериям быстродействия, потребляемой мощности, надежности,
параметрического выхода годных. С расширением рынка телекоммуникационной электроники к
этим критериям добавились частота, фаза, уровень шума, искажения.
Значительное влияние на выход годных кристаллов при существенно субмикронных
технологиях (менее 0,35 мкм) оказывает технологический разброс параметров элементов схемы,
приводящий к так называемому параметрическому браку. Параметрический брак в настоящее
время превышает долю брака, возникающего по причине дефектов кремниевых пластин.
Моделирование
с
учетом
статистического
разброса
параметров
элементов
позволяет
спроектировать СБИС с максимальным процентом выхода годных кристаллов.
Размеры элементов СБИС приблизились к фундаментальным физическим пределам и
поведение
элементов
цифровых
цепей
стало
аналоговым.
В
цифровых
СБИС
стали
существенными перекрестные помехи, индуктивность и сопротивление шин питания, земли и
межсоединений, взаимные индуктивности, электромиграция атомов, паразитное потребление
мощности в статическом режиме.
При технологии 0,25 мкм только 20% задержек в БИС определяются затворами МОПтранзисторов, а 80% - межсоединениями. Для технологии 0,18 мкм задержка даже в медных
линиях связи сравнялась с задержкой в вентилях. Индуктивные паразитные связи потребовали
экранирования линий передачи на кристалле. В связи с уменьшением напряжения питания СБИС
10
до 1,2 В увеличилась относительная величина выбросов на шинах питания и земли. Таким
образом, возросло общее число параметров электрической схемы, технологический разброс
которых
может
вывести
СБИС
за
границу технологического
допуска.
Поэтому
при
проектировании СБИС уже нельзя обойтись только логическим моделированием, появилась
необходимость моделирования всей СБИС целиком на предельно детальном схемотехническом
уровне, с учетом всех паразитных элементов.
Если раньше основные затраты приходились на стадию верификации проекта, то теперь
резко возросли затраты на стадии размещения элементов, поскольку критерии размещения с
учетом паразитных связей существенно усложнили этот процесс и он стал зависеть от результатов
схемотехнической верификации СБИС. То есть с переходом в субмикронную область повысилась
актуальность схемотехнического моделирования при проектировании топологии СБИС.
Многообразие задач проектирования и невозможность создания единого средства их
решения породили целый спектр систем схемотехнического моделирования (рис.1.1). Общая
закономерность в их характеристиках состоит в том, что с ростом быстродействия программы или
предельного размера моделируемой цепи уменьшается точность и достоверность полученного
результата. Несколько необычным на рис.1.1 является указание тестового кристалла в одном ряду
со средствами моделирования, однако нужно учесть, что моделирование на компьютере является
лишь разновидностью моделирования в широком смысле этого понятия, которое включает в себя
также и физическое моделирование. При физическом моделировании соответственные величины
натуры и модели имеют одинаковую физическую природу. Поэтому транзисторы и электрические
цепи, расположенные на тестовом кристалле, можно рассматривать как физические модели
фрагментов будущей СБИС.
11
Рис.1.1. Соотношение возможностей и областей применения
средств моделирования на транзисторном уровне
Причем место тестового кристалла в начале координат связано с тем, что он является
предельно точной моделью и используется в системах моделирования в качестве эталона, для
«калибровки кремнием» средств моделирования. С другой стороны, тестовый кристалл является и
самой быстродействующей моделью.
Максимальной
схемотехнического
точностью
и
моделирования
достоверностью
(SPICE-подобные
обладают
классические
программы),
которые
программы
основаны
на
машинном составлении системы обыкновенных дифференциальных уравнений электрической
цепи и их решении без применения упрощающих предположений. В них используются численные
методы Рунге - Кутта или метод Гира для интегрирования системы дифференциальных уравнений,
метод Ньютона-Рафсона для линеаризации системы нелинейных алгебраических уравнений и
метод Гаусса или LU-разложение для решения системы линейных алгебраических уравнений.
Модификации этих методов направлены на улучшение сходимости или вычислительной
эффективности без упрощения исходной задачи. Современные программы классического
схемотехнического моделирования позволяют анализировать электрические цепи, содержащие до
50 тыс. транзисторов при использовании типовых рабочих станций проектирования СБИС.
12
3. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС
Преодоление полупроводниковой технологией 0,18 мкм барьера привело к тому, что
поведение чисто цифровых схем стало аналоговым и появилась потребность в применении Spiceподобных программ для моделирования цепей, состоящих из миллионов и десятков миллионов
транзисторов.
Источником успехов полупроводниковой промышленности в первую очередь является сфера
проектирования полупроводниковых изделий. Крупнейшая фабрика проектирования СБИС Силиконовая Долина (США, Калифорния) не имеет на своей территории полупроводниковых
заводов, занимаясь исключительно наукоемкими разработками и проектированием. Относительно
новым явлением в полупроводниковой промышленности стало появление в начале 1990-х годов
полупроводниковых компаний, не имеющих собственных полупроводниковых заводов (Fabless
companies), которые обеспечивают полный бизнес-цикл изделия от идеи до продажи, исключая
только изготовление кристаллов, которое выполняется по контракту с кремниевыми мастерскими.
Отсутствие собственных заводов позволяет компании сосредоточить усилия на проектировании и
новых разработках.
Два последних десятилетия на рынке полупроводниковой электроники доминирующее
положение занимает КМОП-технология. Успешное применение КМОП-технологии для построения
аналоговых, в том числе радиочастотных СБИС позволило объединить на одном кристалле
разнородные функции, которые ранее выполнялись различными ИС, расположенными на печатной
плате.
При
проектировании
КМОП
СБИС
используется
функционально-логическое,
схемотехническое и физико-технологическое моделирование. На протяжении двух последних
десятилетий возможности моделирования постоянно отставали от темпов бурного развития
технологии и растущих потребностей полупроводниковой промышленности. Так, уменьшение
характерных размеров элементов СБИС на каждые 0,1 микрона приводит к появлению новых
физических эффектов в МОП-транзисторах, для учета которых необходимо создавать новые
компонентные модели. Появление новых моделей порождает новые проблемы верификации,
достоверности, точности, стандартизации, обучения. Для помощи в решении этих проблем
созданы такие организации, как совет по компонентным (компактным) моделям (Compact Model
Council - CMC), рабочая группа Американского национального института стандартов (NIST
Working Group on Model Validation), подкомитет по моделированию при Ассоциации
полупроводниковых компаний (FSA Modeling Subcommittee).
Наряду с проблемой достоверности существует проблема быстродействия средств
моделирования, которая приводит к необходимости использовать предельно упрощенные модели
транзисторов и приближенные методы моделирования электронных цепей. Используемые в
13
настоящее время модели и методы рождены в результате борьбы противоречий между точностью
и вычислительной эффективностью.
Одновременное увеличение количества транзисторов на кристалле и уменьшение их
размеров (процессор Intel Pentium 4 содержит 42 млн транзисторов и выполнен по технологии 0,18
мкм) привели к тому, что поведение цифровых элементов стало аналоговым и при разработке
даже цифровых СБИС уже нельзя обойтись только логическим моделированием. Требуется
детальный схемотехнический анализ на электрическом уровне.
Традиционный подход к моделированию МОП-транзисторов основан на математическом
моделировании с использованием элементарных алгебраических функций, обыкновенных
дифференциальных уравнений и их решению численными методами. Для получения экономичной
компонентной модели используют упрощающие допущения, которые неизбежно приводят к
потере достоверности моделирования и возрастанию неопределенности в области ее допустимого
применения. Неопределенность возрастает также при изменении технологического процесса
изготовления
СБИС.
Трудоемким
процессом
становится
верификация
(обоснование
достоверности) такой модели.
Проектирование СБИС обычно начинается с составления технического задания и
формулирования технических требований на системном уровне. После проверки реализуемости
технических
требований
выполняется
функциональный
синтез
системы,
определение
функциональных взаимосвязей между ее регистрами или аналоговыми блоками. Проектирование
на этом этапе выполняется так, чтобы обеспечить тестируемость изделия после его изготовления.
Далее выполняется разработка электрических схем или логический синтез субблоков системы, их
оптимизация, верификация и синтез топологии СБИС (размещение на кристалле и трассировка).
Схемотехническое моделирование выполняется в два этапа: до проектирования топологии и после
него. Второй этап выполняется с
учетом паразитных элементов схемы, полученных
автоматически, с помощью программ экстракции, поставляемых в комплекте с программами
схемотехнического
моделирования.
В
зависимости
от
сложности
проекта
циклы
схемотехнического моделирования и проектирования топологии могут выполняться на разных
уровнях иерархии проекта, чередуясь с этапами верификации топологии и коррекции
электрической схемы. Схемотехническое моделирование выполняется с учетом технологического
разброса параметров компонентов СБИС.
После
выполнения
последнего
этапа
верификации
топологии
изготавливается
экспериментальный образец, который тщательно тестируется и при удовлетворительных
результатах начинается серийное производство изделия.
В связи с переходом полупроводниковой технологии в нанометровую область (минимальные
размеры элементов менее 0,18 мкм) появилось множество новых электрических эффектов,
14
которые ранее наблюдались только в аналоговых схемах и которые не могут быть учтены
средствами
упрощенного
телекоммуникации,
временного
потребительской
и
анализа.
Кроме
автомобильной
того,
бурный
электроники,
а
рост
средств
также
средств
индустриальной автоматизации привел к тому, что уже в настоящее время 25% всех
проектируемых систем на кристалле (SoC) являются аналого-цифровыми и их доля к 2006 году
достигнет 70%. Логические схемы, память и аналоговые блоки, которые раньше располагались в
отдельных микросхемах на печатной плате, теперь располагаются на одном кристалле.
Верификация такой системы имеющимися средствами моделирования стала невозможной. По
этой причине резко возросла актуальность точного схемотехнического (SPICE-подобного)
моделирования, которое еще 5-10 лет назад использовалось исключительно для моделирования
аналоговых цепей или небольших фрагментов цифровых БИС.
Лекция № 2. Среда проектирования аналоговых устройств. Маршрут моделирования
и проектирования аналоговых устройств Cadence IC
1. Среда проектирования аналоговых устройств
«Cadence» - система автоматизированного проектирования (САПР), которая позволяет в
единственной программной оболочке проводить моделирование и разработку интегральных схем
(ИС) в едином технологическом базисе.
Классические программы моделирования аналоговых электронных схем, такие как Spice,
Spectre и другие, обеспечивают хорошую сходимость решения в большинстве случаев и
гарантируют достаточную точность. Однако, постоянный рост сложности и объемов проектов
БИС привел к увеличению размеров схем до десятков и сотен миллионов узлов. Как следствие,
производительность классических программ моделирования, построенных на традиционном
подходе составления и решения системы ОДУ с применением методов разреженных матриц, стала
явно недостаточной для решения системы уравнений, описывающей всю схему.
Подходы, применявшиеся несколько лет назад, состоят в расчете фрагментов схем, базовых
ячеек или в комбинированном применении логических и временных расчетов совместно с
моделированием аналоговых фрагментов схем на уровне транзисторов. Широкое распространение
нашло также макромоделирование.
В последние годы, интенсивно начали развиваться программы моделирования нового
поколения, так называемые «быстрые симуляторы» [3-5]. 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.2.1).
15
Рис.2.1. Возможности систем моделирования различных поколений
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.
2) Постановка задачи и платформа Cadence Virtuoso как метод решения
Технические требования к аналоговым, заказным цифровым, радиотехническим и
смешанным проектам росли экспоненциально в последнее десятилетие (рис.2.2). 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.2.2. Взаимосвязь технологии, сложности и стоимости проекта
В зависимости от сложности и объема решаемых задач, Vittuoso ADE (Analog Design
Environment) (рис.2.3) может интегрировать различные системы аналогового моделирования
(Spice, Spectre, UltraSim, Multi-mode Simulation), обепечивать обратную аннотацию паразитных
16
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.
Рис.2.3. Основные компоненты среды проектирования Virtuoso ADE
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.
3. Маршрут моделирования аналоговых устройств
Важную роль при проведении моделирования физических процессов, протекающих в
аппаратуре, играет его правильный порядок. Он определяется с одной стороны логикой
проектирования аппаратуры, а с другой взаимосвязью моделей физических процессов между
собой.
Порядок проведения тех или иных работ в процессе автоматизированного проектирования
регламентируется соответствующими методиками. На рис.2.4 представлена схема алгоритма
методики моделирования РЭС.
Предлагаемая методика включает базовый набор работ, которые необходимо провести при
проектировании любой аппаратуры и, по сути, является типовой. Однако при проектировании
конкретных классов РЭС в эту методику могут быть добавлены дополнительные работы,
отражающие специфику аппаратуры или исключены имеющиеся. Может быть изменен и порядок
проведения работ, однако, с условием ненарушения взаимосвязи моделей физических процессов.
В предложенной методике взаимосвязь моделей физических процессов отражается в
дублировании
некоторых
работ,
например,
моделировании
электрических
процессов
и
исследовании разбросов. При моделировании электрических процессов и исследовании разбросов
в первый раз, нам не известны температуры радиоэлементов, поэтому учесть их нет возможности
и они задаются равными 25 градусам Цельсия.
17
Рис.2.4. Схема алгоритма методики моделирования РЭС
Возникает вопрос. Имеет ли смысл эти работы проводить здесь? Практика проектирования
показывает, что имеет, поскольку результаты этих работ, во-первых, позволяют правильно
сравнить полученные результаты моделирования с требованиями ТЗ, а во-вторых, грамотно
сформулировать требования к конструкции. Второй раз моделирование электрических процессов
и исследование разбросов проводится после разработки конструкции и моделирования тепловых
процессов конструкции, поэтому температуры радиоэлементов становятся известными и
появляется возможность их учесть.
Итогом выполнения работ является исследование надежности аппаратуры, которое
интегрирует результаты всех работ и позволяет дать оценку качества разработанной схемы и
конструкции.
18
4. Маршрут проектирования аналоговых устройств
Маршрут проектирования аналоговых устройств заключается в определении состава
функциональных модулей входящих в состав ИМС на основе требований, определяемых
предварительной спецификацией.
Важное замечание. Формально этот уровень не привязан к технологическому процессу, так
как при разбиении алгоритма на реализующие его функции мы можем на первом этапе
игнорировать ограничения, накладываемые физической реализацией ИМС.
Однако в связи с тем, что параметры технологического процесса могут оказать серьезное
влияние на архитектуру ИМС исследования на уровне архитектуры по обоим направлениям алгоритмическому и технологическому ведутся параллельно (рис.2.5).
Рис.2.5. Моделирование на системном уровне
Задача системного моделирования - подтвердить правильность выбранного алгоритма для
решения задачи. Эта задача решается с помощью программно-аппаратных средств, используя
описательные модели, выполненные на языках высокого уровня: SystemC, SystemVerilog, Verilog,
VerilogA, VerilogAMS и др. или формально на уровне математических формул. Создается
высокоуровневая поведенческая модель всей разрабатываемой системы. Она, как правило,
строится в виде блок-схемы. Для верификации разработанной поведенческой модели создается
тестовый испытательный стенд (тестовое окружение) системы (Testbench), которое включает в
себя генераторы входных сигналов, тестовые последовательности блоки отображения выходной
информации, нагрузку. Тестовое окружение должно максимально полно проверять работу
системы. Впоследствии на основе этого тестового окружения будут разрабатываться тестовые
векторы для верификации проекта на нижних уровнях проектирования и для тестирования
опытных образцов СБИС.
Поведенческая модель верифицируется путем компьютерного моделирования. Если в
процессе верификации обнаруживаются какие-либо отклонения от требований системной
спецификации, то модель корректируется и моделирование повторяется. Кроме верификации, на
данном шаге можно выбрать оптимальные параметры алгоритма системы. Например, разработчик
может найти компромисс между вычислительной сложностью и точностью.
Исследование архитектуры включает в себя анализ состояния проблемы на сегодняшний
день для правильного выбора архитектуры соответствующей выбранному технологическому
процессу. Анализ должен проходить по трем направлениям:
19
 ИМС, выполняющие такую же функцию (если существуют) и имеющие спецификацию
(ТУ);
 перспективные разработки;
 патентные исследования;
Задачи, решаемые этими направлениями (рис.2.6)
Рис.2.6. Алгоритм исследования на уровне архитектуры
Спецификация модулей полученная с использование моделирования на системном уровне и
исследования и выбора архитектуры позволяет разработать схемы модулей, используя тот же
подход, что и на системном (функциональном) уровне. Основное отличие - вместо
идеализированных
представлений
модулей
необходимо
использовать
схемотехническое
представление элементов интегральной схемы, имеющихся в данном технологическим процессом.
Перед проведением этого этапа необходимо тщательно проанализировать документацию,
предоставленную
обладателем
технологического
характеризующим
технологический
процесс
процесса.
является
Основным
спецификация
документом,
процесса,
которая
определяет:
 Набор элементов, доступных в технологическом процессе и их базовые характеристики;
 ограничения, накладываемые на использование этих приборов;
 физические характеристики слоев формирующих устройства, которые определяют
паразитные элементы межсоединений;
 допустимые отклонения основных параметров элементов.
Вопросы для самопроверки
1. Как строятся концепции моделирования проектирования аналоговых устройств при
иерархическом проектировании «сверху вниз» и «снизу вверх».
2. Назовите основные преимущества и отличия симуляторов для схемотехнического анализа.
3. Какие программы по моделированию АИС существуют на современном рынке?
20
4. Поясните
процесс
верификации
аналогового
блока
(устройства)
на
примере
поведенческой модели.
5. Что включает в себя процесс исследования архитектуры
6. В чем заключается точность построения spice-модели устройства?
5. Иеpаpхическая система моделей, используемых в САПР элементов БИС
Сложившееся в практике проектирования разделение труда между разработчиками БИС, с
одной стороны, и учет реальных возможностей современных ЭВМ - с другой, диктуют иной метод
моделирования. Общепринятым в настоящее время является метод, согласно которому на
различных уровнях моделирования используют различные модели. Это обеспечивает достижение
разумного компромисса: сложность модели -точность моделирования. Кроме того, такой метод
позволяет достаточно гибко и оперативно проводить сравнение результатов моделирования с
экспериментальными данными и уточнять исходные значения, т.е. осуществлять итерационный
процесс оптимизации приборных структур по электрофизическим параметрам с учетом заданных
электрических параметров, принятых ограничений. Этот метод позволяет также соразмерять
возможности численного моделирования по точности с точностью исходных данных. В условиях
резкого увеличения размерности задач, характерного для этапа создания СБИС, главной
тенденцией развития методов моделирования стало совместное применения моделей различных
иерархических уровней. Идея многоуровневого моделирования структур элементов БИС
подразумевает комплексное использование при проектировании различных моделей одного и того
же объекта - полупроводникового прибора транзисторного типа. На этапе технологического
моделирования применяют модели, имитирующие процессы ионного легирования диффузии,
эпитаксиального (гомо, гетеро, молекулярного) наращивания и оксидирования.
Именно
эти
процессы
в
основном
определяют
распределение
примесей
в
полупроводниковых структурах, глубины и конфигурации р-n-переходов. Кроме этих моделей
используют модели процессов формирования поверхностных конфигураций (топологии). Такими
моделями являются модели литографии, исключающие нанесение и травление пленок. Исходными
данными для моделирования являются параметры режимов соответствующего технологического
оборудования (время обработки, температура, наружное давление, доза и энергия ионной
бомбардировки и т.п.). Общее назначение моделей технологических процессов - модели
планарной технологии создания БИС - состоит в получении информации о конфигурации и
размерах областей, распределении примесей в полупроводниковой структуре. На основании этой
информации по известным зависимостям определяют электрофизические параметры отдельных
рабочих областей структуры, например подвижность, время жизни носителей, скорость
рекомбинации и т. п.
21
Как объект моделирования полупроводниковый прибор представляет собой тpехмеpную
структуру из полупроводниковых; диэлектрических и металлических областей со сложным
распределением концентраций легирующих примесей и с различными электрофизическими
параметрами Кроме того, особенностью объекта моделирования является множество физических
процессов, протекающих в его структуре, и сложный характер взаимодействия с окружающей
средой. Исходя из задач проектирования элементной базы в качестве основных определены
следующие классы моделей интегральных структур: 1) стpктуpно-физические; 2) физикотопологические; 3) электрические.
Совокупность
моделей
образует
систему,
взаимосвязи
в
которой
определяются
иерархическим принципом. Модели, используемые на каждом последующем более высоком
уровне
проектирования,
отличаются
большей
степенью
абстрагирования.
Результаты
моделирования на более низком, уровне используют как исходные данные для моделирования на
более высоком уровне. Для каждого уровня характерны своя теоретическая основа и
математический аппарат для синтеза и анализа моделей. На первом уровне моделирование
производят наиболее детально.
На основе феноменологической теоpии полупроводников рассматривают физические
процессы в полупроводниковой структуре: дрейф, диффузию, генерацию и рекомбинацию
основных и неосновных носителей заряда. Исходными данными являются структурнотехнологические параметры (геометрия структуры и распределение концентрации примесей в
ней). В результате моделирования получают пространственно-временные распределения
подвижных носителей заряда и электрического потенциала в структуре.
На втором уровне моделирования полупроводниковых структур используются модели с
меньшей детализацией. На основе теории поля с распределенными источниками тока
рассматривают процессы растекания токов основных носителей заряда в рабочих областях
элементов (транзисторных, функционально-интегрированных элементах, резисторах и т.п.).
Исходными данными для такого моделирования являются топология и так называемые
интегральные параметры физической структуры, инвариантные относительно топологии. К таким
параметрам относятся удельные значения объемных и поверхностных сопротивлений рабочих
областей, канальные токи р-n-переходов, барьерных и диффузионных областей.
Эти параметры могут быть определены на первом уровне моделирования или же
экспериментально с помощью специальных тестовых элементов. Модели второго уровня,
использующие уже найденные с помощью сложных физических моделей первого уровня
интегральные параметры физической структуры, экономят машинное время по сравнению с моделями
первого уровня за счет исключения вычислений пространственного распределения носителей заряда
на каждом шаге итерационного процесса отработки топологии элементов. По существу, применение
22
моделей второго уровня делает реальным автоматизацию процесса разработки топологии элементов
за счет разделения задачи большой размерности, непосильной для современной вычислительной
техники.
Таким образом, модели данного уровня, используются в качестве исходных данных
результаты моделирования на первом уровне, позволяют с помощью ЭВМ определить параметры
электрических эквивалентных схем. Математическим аппаратом анализа на данном уровне
являются численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, в
основе которых лежит метод конечных разностей.
Модели
третьего
уровня
представляют
собой
обширную
группу
электрических
эквивалентных схем. Эквивалентные схемы полупроводниковых приборов широко используют
для расчета электрических режимов БИС. Теоретической основой для синтеза, данного класс
моделей, являются модели первого уровня, применяемые и для идентификации некоторых
параметров эквивалентных схем.
Другой основой синтеза электрических эквивалентных схем и средством идентификации их
параметров являются физико-топологические модели. В этом случае появляется возможность
учета в эквивалентных схемах конкретной топологии элементов БИС. Кроме того, разработаны
методы
идентификации
параметров
эквивалентных
схем
по
экспериментальным
ВАХ.
Результатом моделирования является нахождение токов и напряжений в ветвях и узлах
принципиальной электрической схемы БИС илй ее фрагментов. Данные модели являются
практически единственным аппаратом оценки эффективности того или иного схемотехнического
решения БИС или ее отдельных фрагментов с учетом особенностей физической структуры и
топологии. В конечном счете от точности данных моделей зависит точность прогнозирования
электрических характеристик БИС.
Система схемотехнического моделирования AVOSpice компании UniqueICs(www.uniqueics.ru),
базирующейся в Зеленограде, - один из самых быстрых Spice-симуляторов в мире на сегодяшний
день. Технологии и научные разработки, применяемые в этой программе, идут в русле (в чем-то
даже опережая) современных тенденций развития средств точного электрического моделирования
СБИС.
Для современной микроэлектроники характерно постоянное усложнение проектируемой
элементной базы. Широкое распространение в последнее время получили сложные СБИС типа
система на кристалле (SoC) и система в корпусе (SiP). Их доля уже сейчас составляет
существенную часть от общего числа проектируемых интегральных схем и в дальнейшем ее рост
будет продолжаться. На одном кристалле SoC одновременно могут размещаться большие
цифровые блоки управления, аналоговые блоки обработки сигнала, различные датчики. Кроме
того, при проектировании таких систем часто уже нельзя пренебрегать влиянием индуктивностей
23
контактных площадок и выводов корпуса ИС. Основные проблемы, с которыми сталкиваются
разработчики SoC, - высокая размерность системы и необходимость совместного моделирования
блоков, описанных в виде различных математических моделей, в рамках этой системы. Развитие
средств
поведенческой
и
функционально-логической
верификации
интегральных
схем
сверхбольшой степени интеграции (СБИС) позволило проектировать устройства, содержащие
десятки миллионов транзисторов. Однако такое проектирование не является достаточно точным и,
как следствие, результаты могут быть противоречивыми. Это приводит к необходимости
оставлять большие "запасы", например по быстродействию. Для схем, разрабатываемых по
технологии 90 нм и меньше, такой запас может быть двух- или трехкратным. Получить
работоспособные схемы, работающие на предельных характеристиках, например частотах, можно
только применив более точные методы схемотехнического моделирования.
Использование
средств схемотехнического моделирования для полной верификации проектов существенно
повышает вероятность изготовления СБИС с заданными характеристиками и позволяет выявить
области на кристалле, оптимизация которых обеспечит повышение быстродействия и/или
улучшение других параметров схем.
6. Развитие средств схемотехнического моделирования
При оценке средств моделирования обычно выделяют два основных требования производительность
и
достоверность
получаемых
результатов.
Первое
обусловлено
необходимостью проектировать все более сложные изделия в коммерчески приемлемые сроки.
Второе
необходимостью
-
безошибочного
проектирования,
поскольку
каждая
ошибка
разработчика может обойтись в сотни тысяч долларов.
Базовые математические методы и алгоритмы, используемые при автоматизации расчета
электрических схем, были разработаны сравнительно давно. Однако поиск новых подходов в этой
области идет постоянно при тесном взаимодействии разработчиков САПР и специалистов в
области
численного
моделирования.
На
ранних
этапах
развития
схемотехнического
моделирования основными критериями были экономия машинной памяти и сокращение
временных затрат. Со временем мощности вычислительных средств выросли, а стоимость
оперативной памяти сильно упала. Однако размеры проектируемых схем также увеличились, и
требования
к
САПР
по
сути
остались прежними. Но изменились приоритеты. Сегодня на первый план, несомненно, вышла
задача повышения производительности программ моделирования. Для ее решения в основном
используются две группы методов: учет структурных особенностей проектируемых схем и
использование упрощенных моделей элементов. Благодаря учету структурных особенностей схем
можно значительно повысить скорость моделирования и снизить объем необходимой оперативной
памяти, но только для отдельных специальных типов схем, например схем памяти. Использование
24
упрощенных
моделей
элементов
в
программах
так
называемого
"FastSpice"
быстрого
схемотехнического моделирования (NanoSim, UltraSim, HSim) позволяет существенно сократить
время моделирования, но приводит к снижению точности получаемых результатов из-за более грубых
моделей.
Еще одно направление повышения производительности моделирования - создание
специализированных аппаратных вычислителей, в которых наиболее трудоемкие вычисления
реализованы на аппаратном уровне. Основная проблема аппаратного подхода - дороговизна,
отсутствие универсальности, а также быстрый рост производительности вычислительных систем
общего назначения, в результате чего специализированные аппаратные комплексы быстро
устаревают. Например, с появлением многоядерных микропроцессоров рост производительности
персональных компьютеров (ПК) начал превышать рост производительности рабочих станций.
При этом цена ПК в разы и даже десятки раз ниже стоимости сопоставимой по характеристикам
рабочей станции. Если алгоритмы и программное обеспечение позволяют распараллелить процесс
вычислений с учетом особенностей многоядерной архитектуры, то производительность программ
моделирования на ПК может быть существенно увеличена.
Лекция № 3. Аналоговое схемотехническое моделирование. Виды и типы анализа
1. Принципы аналогового схемотехнического моделирования
Число аналоговых интегральных схем, применяемых для выполнения многочисленных
операций по обработке сигналов, постоянно растет. В соответствии с областью их применения все
аналоговые интегральные схемы можно разбить на два больших класса. Первый класс содержит
аналоговые интегральные устройства, созданные для весьма специфических применений. Самую
большую группу в этом классе составляют аналоговые устройства для систем связи, такие, как
видеоусилители, демодуляторы сигналов цветности и стереомодуляторы. Примером некоторых
других устройств этого класса, не относящихся к системам связи, являются регуляторы
напряжения, линейные возбудители и приемники и чувствительные усилители.
Второй основной класс включает все аналоговые интегральные устройства, предназначенные
для самых разнообразных применений. Самую большую группу этого класса составляют
операционные усилители; сюда же входят компараторы напряжения, аналоговые перемножители,
цепи фазовой автоподстройки частоты и интегральные усилители мощности.
Все аналоговые интегральные схемы независимо от их классификации состоят из известных
схемных структур, которые выполняют в приборе конкретные функции. Структуры унифицированных узлов не являются совершенно новыми схемами, а представляют собой хорошо
25
известные схемные конфигурации, разработка которых основывается на тех преимуществах и
ограничениях, которые порождаются процессом производства интегральных схем.
С учетом степени новизны разрабатываемых изделий различают следующие задачи
проектирования:
Модернизация существующих РЭУ за счет изменения его параметров структуры и
конструкции, обеспечивающая сравнительно небольшое (до нескольких десятков процентов)
улучшение одного или нескольких показателей качества для решения тех же или новых задач.
Существенная модернизация, предполагающая значительное (в несколько раз) улучшение
показателей качества.
Создание новых РЭУ, основанных на ранее не применявшихся принципах действия, для
резкого (на несколько порядков) увеличения показателей качества при решении тех же или
существенно новых задач.
С точки зрения последовательности выполнения различают основные стадии проектирования:
Предварительное
проектирование,
результатом
которого
являются
технические
предложения. Эта стадия в наибольшей степени насыщена элементами научного поиска,
теоретическими расчетами, экспериментальными исследованиями. Они завершаются обычно
созданием лабораторных макетов.
Эскизное проектирование, результатом которого является эскизный проект - на этой стадии
усилия разработчиков во многом направлены на поиски эффективных конструкторских решений.
Она также связана с большим объемом теоретических изысканий, сложных расчетов и
заканчивается
созданием
экспериментального
образца
проектируемого
изделия
и
его
тщательными экспериментальными исследованиями (натурным моделированием).
Техническое проектирование, при котором выполняется тщательная проработка всех
схемных, конструкторских и технологических решений. На стадии технического проектирования
создается техническая документация на разрабатываемую аппаратуру и процессы ее производства.
Итогом является технический проект, содержащий необходимую документацию и опытный
образец изделий, прошедший всесторонние испытания в реальных условиях эксплуатации. При
этом следует подчеркнуть чрезвычайную важность и трудоемкость создания технической
документации, на основе которой происходит дальнейшее единичное, серийное или массовое
производство РЭУ.
По содержанию решаемых задач процесс проектирования можно разбить на следующие
четыре этапа:
Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели
проектирования, обосновываются исходные данные и определяются принципы построения
системы. При этом формируется структура проектируемого объекта, его составных частей
26
(функционально завершенных блоков), определяются энергетические и информационные связи
между составными частями. В результате формируются частные технические задания на
проектирование отдельных составных частей объекта.
Схемотехническое (функциональное) проектирование РЭУ, имеющее целью аппаратурную
реализацию составных частей устройства. При этом выбор элементной базы, принципиальной
схемы, структурный и параметрический синтез радиоэлектронных схем (оптимизация параметров)
производятся с расчетом обеспечения наилучшего функционирования (и эффективного
производства). При выборе элементной базы и синтезе радиоэлектронных схем необходимо
учитывать конструкторско-технологические требования.
Техническое
проектирование
(конструирование),
решающее
задачи
компоновки
и
размещения элементов и узлов, выполнения печатных и проводных соединений, а также задачи
теплоотвода, электрической прочности, зашиты от внешних воздействий и т. п. На этом этапе
разрабатывается техническая документация для изготовления и эксплуатации РЭУ.
Технологическая подготовка производства, предполагающая разработку технологических
процессов изготовления отдельных блоков и всей системы в целом.
Схемотехническое проектирование, как и другие перечисленные этапы, сводится к
формированию описаний проектируемого РЭУ и состоит из отдельных проектных процедур,
реализуемых с помощью пакетов прикладных программ автоматизированного проектирования и
заканчивающихся
частным
проектным
решением.
Типичными
для
схемотехнического
проектирования РЭУ проектными процедурами являются анализ и синтез их описаний на
различных уровнях рассмотрения.
Процедура синтеза заключается в создании проектного решения (описания) по заданным
требованиям, свойствам и ограничениям. Например, широко используются при проектировании РЭУ
процедуры синтеза электронных схем по их заданным характеристикам в частотной или временной
области. При этом проектирование рассматривается как последовательное решение двух задач:
выбора структурной схемы, называемого структурным синтезом, и определения параметров ее
элементов (обеспечивающих требуемые характеристики), называемого параметрическим синтезом.
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.
27
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.
28
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
29
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.
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 фазочастотные 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
Вопросы для самопроверки
 Перечислите классификации аналоговых интегральных схем.
 Из каких этапов состоит процесс проектирования АИС. Перечислите и назовите главные
особенности
 Назовите категории воздействий технологического процесса на схемотехническое
проектирование
 Какие стандарты моделей ИМС применяются в проектировании?
30
 Перечислите основные и дополнительные виды анализа аналоговых интегральных схем.
Какие дополнительные (необходимые) виды анализа вы знаете
 Опишите процедуру синтеза АИС
Лекция № 4. Расширенные виды анализа
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.
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).
31
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.
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:
SV , P 
dV
.
dP
При расчете нормализованной чувствительности исключаются зависимости параметров
входных и выходных данных:
SV , P 
SV , P  P
SV , P 
V dV
;
P dP
dV
; если V = 0;
dP
1 dV
, если Р = 0.
V dP
Если оба параметра P и V равны 0, используется расчет частичной чувствительности.
В таблице 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
Конструктивные
параметры
Выходные параметры
AC анализ
параметры «instance»;
параметры моделей элементов;
узловые потенциалы;
токи в цепях;
32
DC анализ
параметры «instance»;
параметры моделей элементов;
узловые потенциалы;
токи в цепях;
параметры рабочей точки;
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.
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.
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.
При этом каждый раз моделирование осуществляется с новым набором параметров,
задаваемых случайным образом. Например, если предусмотрен графический вывод испытаний с
помощью программы Probe, максимальное количество испытаний n = 400. На одну диаграмму
Probe могут быть выведены результаты 399 испытаний. Отклонения значений элементов от
номинальных задаются с помощью генератора случайных чисел. Случайное значение параметра x
рассчитывается по формуле
x = xном(1 + ),
где xном - номинальное значение параметра, указанное пользователем; D - относительный разброс
параметра x ; - центрированная случайная величина, принимающая значения на отрезке (-1, + 1).
В программе Pspice имеются генераторы случайных чисел с двумя законами распределения:
UNIFORM - равномерное распределение на отрезке (- 1, + 1);
GAUSS - гауссовское распределение на отрезке (- 1, + 1) с нулевым средним и
среднеквадратическим отклонением = 0.25.
По умолчанию выбирается равномерное распределение.
33
Статистические испытания по методу Монте-Карло могут проводиться при расчете режима
по постоянному току, анализе переходных процессов или расчете частотных характеристик.
Проведение статистического анализа по методу Монте-Карло позволяет определить многие
важные характеристики электронных цепей. Например, по величине отклонения частотных
характеристик можно судить о чувствительности цепи.
При статистическом анализе предусматривается разнообразная статистическая обработка
результатов моделирования. Возможны следующие виды обработки:
- расчет максимального отклонения текущей реализации от номинальной;
- расчет максимального значения в каждой реализации;
- расчет минимального значения в каждой реализации;
В САПР статистический анализ осуществляется численным методом — методом Монте
Карло (статистических испытаний). В соответствии с этим методом выполняются
статистических
испытаний,
каждое
статистическое
испытание
представляет
N
собой
одновариантный анализ, выполняемый при случайных значениях параметров-аргументов. Эти
случайные значения выбирают в соответствии с заданными законами распределения аргументов
xi. Полученные в каждом испытании значения выходных параметров накапливают, после N
испытаний обрабатывают, что дает следующие результаты:
а) гистограммы выходных параметров;
б) оценки математических ожиданий и дисперсий выходных параметров;
в) оценки коэффициентов корреляции и регрессии между избранными выходными и
внутренними параметрами, которые, в частности, можно использовать для оценки коэффициентов
чувствительности.
Статистический анализ, выполняемый в соответствии с методом Монте-Карло, - трудоемкая
процедура, поскольку число испытаний N приходится выбирать довольно большим, чтобы
достичь приемлемой точности анализа. Другая причина, затрудняющая применение метода
Монте-Карло, - трудности в получении достоверной исходной информации о законах
распределения параметров-аргументов xi.
Методологию моделирования Монте Карло в Cadence (например, в среде «Spectre») можно
объяснить на примере проектирования схем, в составе которых есть резисторы, параметры
которых имеют отклонения от номинального в случайной последовательности.
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
аналоговых, но и цифровых, а также комбинированных аналого-цифровых схем.
34
не только
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. Аналогоцифровой 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
применением стандартных A/D и D/A интерфейсов, подключаемых автоматически.
Вопросы для самопроверки
1. Для чего нужен анализ Фурье? Для каких сигналов он проводится?
2. Когда необходимо проводить дополнительные виды анализа?
35
стыковка
с
3. В чем заключается dc-анализ на постоянном токе в окрестности рабочей точки?
4. Для каких целей служит анализ чувствительности?
5. Какой анализ позволяет определить разброс параметров (характеристик) АИС?
Лекция № 5. Библиотеки элементов. Состав, структура библиотек элементов
для схемотехнического моделирования с проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии
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.
Рис.5.1. Структура PDK
36
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.
Каждая библиотека состоит из ячеек, которые в свою очередь содержат виды (рис.5.2).
Рис.5.2. Виды ячеек
Таким
образом,
создавая
сложные
структуры,
используя
инстанции,
получается
иерархический проект. В Cadence можно работать во всех уровнях иерархии. Когда открываем
проект, мы попадаем на самый верхний уровень иерархии.
Так как существует много различных технологий (тех. процессов), с различными правилами
проектирования и свойствами элементов, Cadence должен знать информацию о технологии, с
которой работает. Эта информация хранится в технологическом файле или в технологической
библиотеке. Каждая библиотека, в свою очередь, подключается к своей технологической
библиотеке.
2. Состав, структура библиотек элементов для схемотехнического моделирования с
проектными нормами 90 нм БиКМОП технологии
Технологические библиотеки содержат информацию о:
а) Проводниках, контактах, транзисторах;
б) Design Rules (правила проектирования) - минимальные размеры объектов и расстояния
между ними;
в) Display - цвета и шаблоны отображаемые на экране;
г) Электрические свойства: сопротивление, емкость.
37
В Cadence используется язык программирования skill. C помощью этого языка можно
автоматизировать многие операции. Подробнее об этом языке можно прочитать в документации
Cadence.
Для создания вида schematic используется инструмент Virtuoso Schematic Composer. Это
интерактивный редактор для построения вида schematic посредствам добавления основных
компонент (транзисторы, резисторы, емкости и т.д.) и соединения их друг с другом. Значения
(свойства) компонент можно выставить в соответствии со спецификацией. Можно также добавить
текст и комментарии.
В схемотехническом редакторе также можно создать вид symbol. Вид symbol можно
использовать в других частях конструкции.
Инструмент моделирования - «Spectre», «UltraSim» запускается из схемотехнического
редактора и все необходимые файлы для моделирования формируются автоматически.
Моделирование проводят на так называемом тестовом «стенде» - это отдельный вид, который
тоже является видом редактора Composer-Schematic, в котором проект присутствует как
инстанция. Стенд так же содержит источники сигналов и питания.
Для создания топологии используется Virtuoso Layout Editor. Топология состоит из
геометрических фигур разных цветов. В зависимости от формы, размера и цвета слоя в
дальнейшем формируется литографическая маска.
В топологическом редакторе можно использовать инстанции, т. е. топология тоже может
иметь иерархическую структуру.
Для проверки топологии на соответствие электрическим и геометрическим правилам
существуют инструменты проверки DRC (Design Rules Checks).
Rule-файл - это текстовый файл, содержащий в себе исходный код всех используемых при
верификации правил и информацию об экстрактируемых приборах для процесса экстракции из
топологии.
Для написания rule-файлов используется специально разработанный интерфейс. Он имеет
ряд особенностей, отличающих его от всех остальных языков высокого уровня.
Обобщённая структура rule - файла включает следующие виды записей:
- Назначение слоёв.
- Глобальная генерация слоёв
- Комментарии
- Ссылки на другие файлы
- Описание правила
- Описание глобальных переменных
- Описание операций экстракции соединений
38
- Описание операций экстракции паразитных элементов
Применительно к проверке правил проектирования, правило описывается следующим образом:
[имя проверки] {@[комментарий]
[слой1]
[слой2]
},
где [имя проверки] - уникальное имя проверки, которое не должно повторяться и под которым
результат проверки(при его наличии) будет внесён в отчёт о проверке;
[слой1], [слой1] - имена слоёв или операции над слоями, результат которых будет являться
результатом проверки нарушения этого правила.
[комментарий] - текстовый комментарий, который будет включён в отчёт вместе с
сообщением о результате проверки.
Пример:
A1151 {@Minimum DIFF width ... 0.8
INT DIFF < 0.8 ABUT>0<90 SINGULAR
}
При обнаружении полигонов, удовлетворяющих вышеуказанному условию, они будут
включены в отчёт о проверке как результат правила, то есть ошибка. Комментарием к
результату будет являться выражение «Minimum DIFF width ... 0.8», в переводе означающее
«минимальная ширина диффузии 0.8». Это позволяет непосредственно указать на ошибку в
проверяемой
топологии.
Рекомендуется
в
каждом
правиле
использовать
чёткий
комментарий, точно указывающий на ошибку и возможные пути её устранения.
Для описания экстракции соединений используются 6 основных записи: ATTACH,
CONNECT, DISCONNECT, LABEL ORDER, SCONNECT, STAMP.
Экстракция приборов производится с помощью операции экстракции:
«DEVICE [element name] ([model name]) [device layer] [pin layer] ([pin name]) … <[auxiliary
layer]> … ([swap list]) NETLIST MODEL [netlist model name] NETLIST ELEMENT [netlist element
name] TEXT MODEL LAYER [text layer] TEXT PROPERTY LAYER [text layer] [ [property specification] ] » - Эта операция экстрактирует прибор с именем [element name] и соответствующей ему
моделью [model name]. При этом к имени элемента добавляется его номер с целью избежать
повторения. Нумерация начинается с 0.
Здесь: [device layer] - слой-признак для данного типа элемента(он должен соответствовать
только этому элементу и никакому другому), [pin layer] ([pin name]) - задание терминалов
элемента: в слое [pin layer] располагается терминал с именем [pin name].
39
Если при вычислении параметров используются какие-либо слои, кроме слоя-признака и
слоёв терминалов, то они должны быть перечислены как вспомогательные слои ( <[auxiliary
layer]> ). «[swap list]» - список взаимозаменяемых терминалов (терминалы конденсатора, сток и
исток КМОП транзистора), его элементами могут быть как названия терминалов, так и названия
слоёв
этих
терминалов.
Терминалы
в
одинаковых
слоях
автоматически
считаются
взаимозаменяемыми.
Пример использования списка значений: «DEVICE R resistor_layer metal1 metal2 » - эта
операция экстрактирует резистор с именем «R», слоем-признаком является «resistor_layer», два
терминала резистора располагаются в слоях «metal1», поверхностное сопротивление резистора
равно 0.047 Ом/мкм2 (рис.5.3). В данном случае используется стандартный элемент R. Результатом
этой экстракции будет элемент схемы вида: «R3 CLK VDD 0.5» - резистор с автоматически
сгенерированным
именем
R3,
автоматически
вычисленным
сопротивлением
0,5
Ом,
подключённый к узлам «CLK» и «VDD». Этот способ вычисления параметров не позволяет
корректно вычислять параметры резисторов сложной формы.
Рис.5.3. Топология резистора RSN сложной формы
Рассмотрим генерацию слоев при разработке правил для слоя POLY1. Правила для слоя
POLY описаны в табл.5.1.
40
Таблица 5.1. Описание правил для слоев POLY
Рис.5.4. Иллюстрация правил для слоев POLY
Другие правила проектирования (DRC) для слоев и приборов приведены в табл.5.2. Каждое
правило пояснено соответствующими иллюстрациями, изображенными на рис.5.4, 5.5.
41
Таблица 5.2. Описание правил для слоев N+ IMPLANT
Рис.5.5. Иллюстрация правил для слоя N+ IMPLANT
Вопросы для самопроверки
1. Что такое PDK и что он в себе содержит?
2. Какие программные приложения позволяют провести маршрут схемотехнического и
топологического проектирования?
42
3. Перечислите основные средства для проверки точности и верности выполнения
проектирования схемы?
4. Что включают в себя правила проектирования DRC и LVS?
5. В каких уровнях иерархии позволяет работать САПР Cadence
6. Что подразумевается под понятием «инстанция»?
7. Опишите структуру компонентов САПР Cadence
Лекция № 6. Модели элементов. Их параметры
Все компоненты (аналоговые и цифровые), из которых составляется электрическая
принципиальная схема, имеют математические модели двух типов:
а) Встроенные математические модели стандартных компонентов, таких, как резисторы,
конденсаторы, диоды, транзисторы, независимые и зависимые источники сигналов, логические
вентили и др., которые не могут быть изменены пользователями; можно только изменять значения
их параметров. В свою очередь, встроенные модели подразделяются на две категории:
- простые модели, характеризуемые малым количеством параметров, которые можно указать
непосредственно на схеме в виде атрибутов (например, модель резистора описывается одним тремя параметрами, причем часть из них можно сделать на схеме невидимыми, чтобы не
загромождать чертеж);
- сложные модели, характеризуемые большим количеством параметров, которые заносятся в
библиотеки моделей (например, модель биполярного транзистора характеризуется 52 параметрами).
б) Макромодели произвольных компонентов, составляемые пользователями по своему
усмотрению из стандартных компонентов.
В spice-программе моделируемое устройство может быть описано двумя способами:
- в виде чертежа его принципиальной электрической или функциональной схемы;
- в виде текстового описания в формате SPICE.
Кроме того, при составлении принципиальной схемы часть параметров моделей
компонентов задается в виде их атрибутов и указывается непосредственно на схеме. Такие модели
будем называть моделями в формате схем. Остальные модели задаются в текстовом окне с
помощью директив .MODEL и .SUBCKT по правилам SPICE. Их так и будем называть - моделями
в формате SPICE.
1. Резисторы
В Spice-проограммах используется две модели резисторов: идеальная и реальная. В
идеальной модели резистор - это идеальный элемент, обладающий только заданным
сопротивлением. В реальной модели учитываются температурные коэффициенты резистора.
43
Сопротивление рассчитывается по формуле:
<сопротивление>* R[1+TC1(T-T0) + TC2(T-T0)2];
где R - масштабный множитель сопротивления; ТС1,ТС2 - линейный и квадратичный ТКС; Т0 номинальная температура окружающей среды (по умолчанию 270С); Т - текущая температура.
Если же указан экспоненциальный температурный коэффициент сопротивления ТСЕ, то
сопротивление резистора рассчитывается по формуле:
<сопротивление>* R*1,01ТСЕ(Т-Т0),
где ТСЕ - экспоненциальный температурный коэффициент.
Для использования реальной модели параметры резисторов задаются с помощью директивы
.Model:
Рххх<+узел> <-узел> <имя модели> <сопротивление>
.Model <имя модели> <имя типа > [<имя параметра>= <значение>]
где ххх - произвольная алфавитно-цифровая последовательность (не более 7 cимволов).
Пример:
R12 3 0 RTEMP 5k
.Model RTEMP RES (R=1 TC1=0.2 TC2=0.005)
Здесь: R12 - имя компонента, 3 и 0 - узлы, RTEMP - имя модели, 5к - сопротивление, RTEMP
- имя модели, RES - имя типа.
Если требуется учесть частотные свойства резистора, то в схеме резистор надо заменить его
эквивалентной схемой, состоящей из параллельного соединения резистора и конденсатора.
2. Конденсаторы
Конденсатор используется как идеальный элемент или как встроенная модель.
Запись конденсатора как идеального элемента:
С1 15 0 56 pF;
Запись означает, что между узлами 15 и 0 включен конденсатор емкостью 56 пикофарад.
В реальной модели конденсатора учитываются температурные коэффициенты и зависимости
емкости от приложенного напряжения:
<емкость>*C*(1+VC1*V+VC2*V2)*[1+TC1*(T-T0)+TC2*(T-T0)2],
где С- масштабный множитель емкости;
VC1 и VC2 - линейный и квадратичный коэффициент напряжения;
ТС1 и ТС2 - линейный и квадратичный температурный коэффициент емкости.
Зависимость C(V) учитывается только при расчете переходных характеристик. При расчете
частотных характеристик VC1=VC2=0.
44
3. Модели биполярных транзисторов
В Pspice используются две модели биполярного транзистора: модель Эберса-Молла и модель
Гуммеля-Пуна. При отсутствии всех параметров для модели Гуммеля-Пуна, автоматически
выбирается модель Эберса-Молла. На рис.6.1 представлена модель Эберса-Молла.
Рис.6.1. Модель Эберса-Мола
В модели обозначены:
I1 и I2 - токи инжектируемых носителей через переходы эмиттер-база и коллектор - база;
αNI1 и αI I2 - токи собираемых коллектором и эмиттером носителей;
αN и αI - коэффициенты передачи тока при нормальном и инверсном включении.
Из рисунка следует, что
Iэ = I1 – II2;
Iк = NI2
(6.1)
где
I 1  I э 0 (e
I 2  I к 0 (e
Uэ
T
Uэ
T
 1).
(6.2)
 1).
(6.3)
Подставляя (6.5) в (6.4), найдем статические вольт-амперные характеристики
I э  I э0 (e
Uэ
T
 1)   I I к 0 (e
I к   N I э0 (e
Uэ
T
Uк
T
 1)  I к 0 (e
I б  I э  I K  (1   N ) I э0 (e
Uэ
T
Uк
T
 1).
(6.4)
 1).
(6.5)
 1)  (1   I ) I K 0 (e
UK
T
 1).
(6.6)
Эти формулы Эберса-Молла являются математической моделью транзистора для анализа его
статических характеристик.
45
В Spice-программах коэффициенты усиления βN и βI биполярного транзистора представлены
в виде функции:
β N  β Nmax (a0  a1I1  a2 I12  a3 I13 );
β I  β Imax (b0  b1I 2  b2 I 22  b3 I 23 );
Cэ и Ск - барьерные и диффузионные емкости p-n-переходов;
Rэут и Rкут - отражают токи утечки переходов и эффект Эрли;
Rэ, Rк, Rб - объемные сопротивления областей транзистора.
Интегральная зарядовая модель Гуммеля-Пуна приведена на рис.6.2.
Рис.6.2. Интегральная зарядовая модель Гуммеля-Пуна
В схеме использованы следующие обозначения:
Iэ1 - ток эмиттера при активном режиме работы;
Iк1 - ток коллектора при инверсном режиме работы;
Iэ2, Iк2 - отражают токи через обратно-смещенные p-n-переходы;
Iэ1/BN и Iк/BI - токи базы при активном и инверсном режиме работы.
4. Модели МОП-транзисторов
Структура МОП-транзистора с каналом n-типа имеет вид рис.6.3.
Рис.6.3. Структура МОП-транзистора с каналом n-типа
46
(6.7)
Параметры МОП-транзисторов задаются по директиве .Model. Если какой-либо параметр не
задан, то он рассчитывается по соответствующим формулам. Если не заданы исходные параметры
математической модели то они принимаются равными по умолчанию. Параметры L (длина
канала), W (ширина канала), AD (площадь стока) и AS (площадь истока) устанавливаются по
умолчанию с помощью директивы .OPTIONS.
Для задания параметров МОП-транзистора в директиве .Model можно либо задать исходные
физико-топологические характеристики прибора, либо рассчитать основные параметры по
соответствующим формулам, либо, воспользовавшись программой Model Editor, или другими
подобными программами, вычислить параметры математической модели по паспортным данным
на
транзистор.
В
любом
случае
некоторые
параметры
можно
определить
только
экспериментально.
Частотные свойства транзистора определяются объемным сопротивлением RG. Для его
определения измеряют время распространения импульса по цепочке из МОП-транзисторов.
Важной характеристикой МОП-транзистора является параметр RDS-сопротивление утечки
сток-исток. Этот параметр так же определяется экспериментально, путем измерения тока стока
при заданном напряжении сток-исток и при Uзи = 0.
Для учета различных эффектов в МОП-транзисторе применяется 6 уровней моделей. Схема
замещения транзистора для всех уровней остается одной и той же, изменяются только системы
уравнений, описывающих транзистор. Уровень модели задается параметром LEVEL.
Пример описания транзистора 3 уровня:
.Model n nmos (Level=3 L=2e-006 RS=0.01 RD=0.01 VTO=3 RDS=1000000 TOX=2e-006
CGSO=4e-011 CGDO=1e-011 CBD=1e-009 MJ=0.5 PB=0.8 FC=0.5 RG=5 IS=1e-014 n=1 RB=0.001)
Параметры W, AD, AS, PD, PS можно задавать, открывающемся при двойном щелчке на
изображении МОП-транзистора. То есть в модели задаются параметры, общие для всех
транзисторов, а конкретные задаются отдельно.
Модель первого уровня LEVEL=1 применяется в грубых расчетах, когда не требуется
высокая точность. Ее основные достоинства и недостатки:
 наименьшее время вычислений;
 не учитывается зависимость подвижности носителей от электрического поля;
 не учитывается подпороговый режим;
 не учитывается зависимость порогового напряжения от параметров L, W, Vds;
 все емкости рассчитываются упрощенно;
 не учитывается неоднородность легирования
Модель LEVEL=2 основана на более точных теоретических построениях, однако ряд ее
параметров трудно оценить по экспериментальным данным.
47
Модель достаточно сложна и требует больших затрат на моделирование. Полуэмпирическая
модель LEVEL=3 требует меньших вычислительных затрат и ее рекомендуется использовать для
расчета МОП-транзисторов с коротким каналом (1-3 мкм).
Для уровня LEVEL=4 используется модель BSIM1 - короткоканальная модель МОПтранзистора. По сравнению с моделью первого уровня учитываются следующие эффекты:
 зависимость подвижности носителей от вертикального поля;
 насыщение скорости носителей;
 зависимость порогового напряжения от напряжения стока;
 распределение заряда обедненной области между стоком и истоком;
 неоднородное легирование для транзисторов, изготовленных с применением ионной
имплантации;
 модуляция длины канала;
 подпороговая проводимость;
 зависимость всех параметров от геометрии транзистора.
Модели LEVEL=5 и LEVEL=6 (BSIM3) более точно описывают субмикронные МОПтранзисторы и непрерывно модифицируются.
5) Источники сигналов и питания
В программах моделирования применяются источники напряжения (V) и источники тока (I).
Первые имеют внутреннее сопротивление, равное нулю, вторые - равное бесконечности. Формат
записи источника напряжения:
Vxxx <+узел> <-узел> [DC] <значение>
Например: V1 1 0 DC 10V
I2 5 7 1 MA
Вопросы для самопроверки
1. Из каких компонентов состоят параметры макромоделей элементов АИС?
2. Сколько уровней в описании моделей АИС вам известны?
3. Как описывается устройство ИС в spice-программе?
4. В чем отличие моделей Гумеля - Пуна и модели Эберса - Молла для биполярного
транзистора? Что учитывается одной моделью и не учитывается другой?
5. Какие директивы описания параметров моделей вы знаете?
48
Лекция № 7. Задание на моделирование. Список соединений. Язык SPICE
Для моделирования электрических схем используются различные языки описания схем.
Наиболее распространенными являются алгоритм Spice, разработанный в конце 70-х годов в
университете Беркли (США, шт.Калифорния). При моделировании устройств на электрическом
уровне широко используются алгоритмы Spice (Simulation Program witch Integrated Circuit
Emhasis). На их основе создан ряд коммерческих программ для ПК: HSpice (фирмы MetoSoftware),
Pspice (MicroSim), ISSpice (Intusoft), Micro-Cap (Spectrum Software), Analog Workbench (Cadence),
Saber (Analogy), Dr.Spice и ViewSpice (Deutsch Research).
Широкое развитие получили программы PSpice, Dr.Spice, Micro-Cap. Первые версии Pspice
вплоть до 4.03 имеют возможность только текстового ввода схем. Начиная с версии 5.1 (Design
Center) и выше (8.0 - Design Lab) обеспечивается возможность графического ввода
принципиальных схем. Программа Design Lab входит как составная часть в пакет OrCAD9.x, а
программа Dr.Spice - в пакет AccelEDA14.0, H-Spice - в пакет САПР Cadence, образуя мощные
системы сквозного проектирования аппаратуры.
Программы Spice имеют встроенные математические модели типовых компонентов:
биполярные транзисторы, МОП-транзисторы, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом,
арсенид-галлиевый
полевой
транзистор,
диоды,
резисторы,
конденсаторы,
индуктивности, независимые источники напряжения и тока, линии задержки, ключи, управляемые
источники, операционные усилители, компараторы.
При электрическом моделировании программы обеспечивают возможность создания
макромоделей (иерархических блоков) любой степени вложенности фрагментов цепи или
отдельных устройств, состоящих из типовых компонентов. Использование макромоделей не
только уменьшает размеры электрических схем, но и сокращает время вычислений.
В spice-программе элементы схемы разделяются на активные и пассивные. Список
параметров - это совокупность языков, терминов, определений, необходимых для выполнения
автоматизированного проектирования.
Характерные черты описания элементов схем:
1) Каждому элементу принципиальной схемы соответствует одно или два предложения.
2) В предложении указываются следующие сведения:
 Идентификатор
вида
элемента
(или
математической модели);
 порядковый номер элемента в схеме;
 номера узлов включения элемента в схему;
 численные значения параметров.
49
наименование
используемой
для
элемента
Математическое моделирование заключается в переводе явлений нашего «реального мира»
на язык математики. Понятие «модель» отображает поведение объекта или процесса. Крайними
случаями понятия «моделирование» являются с одной стороны натурный эксперимент с другой
стороны - расчетно-аналитический. Между ними имеются промежуточные методы исследований.
Они позволяют сократить и облегчить натурный эксперимент:
- физическое моделирование - натура и модель имеют одинаковые физическую природу (но
разные, например, геометрические размеры);
- модели прямой аналогии - натура и модель имеют разную физическую природу, но
одинаковое
математическое
описание.
Например,
тепловые
процессы
моделируются
электрическими).
Расчетно-аналитический метод, или математическое моделирование, используется для
составления математического описания работы объекта и исследование его работы на ЭВМ.
Математические модели можно подразделить на:
1) аналитические, построенные по физическим законам, раскрывающим сущность явлений;
2) экспериментально-статистические, соответствующие набору экспериментальных данных.
Эспериментально-статистические модели служат для описания объекта как «черного
ящика». Поэтому обоснование достоверности (верификации) математической модели является
неотъемлемой частью применения методов моделирования.
Модель обычно уточняется путем постановки натурных экспериментов, подтверждающих
точность и достоверность математической модели.
Погрешность
математического
моделирования
при
цифровой
реализации
является
погрешностью методической, которая подразумевает неточность математической модели из-за
упрощения реальной системы при ее математическом описании. Поскольку погрешность
вычислений может быть сведена к достаточно малой величине.
Увеличение сложности математической модели ради обеспечения большей точности
результатов имеет естественное ограничение со стороны скорости обработки информации,
памятью ЭВМ. Так, если исходные данные известны с точностью 5%, то бессмысленно предлагать
модели, обеспечивающие точность решения 1%. Как сказал один инженер «всякое уравнение
длиной более 2 дюймов скорее всего неверно».
Применяются методы математического моделирования как к физическим и электрическим
процессам, так и в областях медицины, статистики и др.областях. Например, разработаны модели
молекул, дорожного движения, сахарного диабета, и др.
Программа SPICE позволяет проводить следующие виды анализа:
1) Анализ схемы по постоянному току в рабочей точке.
50
2) Анализ по постоянному току при вариации источников постоянного напряжения или тока
и других параметров схемы (многовариантный анализ).
3) Установка приближенных значений узловых потенциалов.
4) Расчет чувствительности характеристик схемы к вариации параметров компонентов в
режиме по постоянному току.
5) Анализ малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току.
6) Расчет амплитудно-частотных характеристик.
7) Расчет спектральной плотности внутреннего шума.
8) Расчет переходных процессов.
9) Спектральный анализ.
10) Статистические испытания по методу Монте-Карло.
Вид анализа задается соответствующей директивой вида: .<имя директивы> <параметры>
1. Расчет режима по постоянному току
Рассчитывается перед выполнением всех видов анализа без указания специальных директив.
Результаты выводятся в выходной файл <имя>.out Полная информация о режиме по постоянному
току,
включая
список
линеаризированных
(малосигнальных)
параметров
нелинейных
компонентов, выводится в выходной файл <имя>.out при наличии директивы .OP. Без этой
директивы приводится информация в виде карты узловых потенциалов (по постоянному току).
2. Многовариантный расчет режима по постоянному току
Расчет производится при вариации одного или двух параметров схемы по директиве .DC:
а) .DC LIN <имя первой переменной> <начальное значение> <конечное значение>
<приращение>[<имя > <второй переменной> <начальное значение> <конечное значение>
<приращение>]
б) .DC DEC <имя первой переменной> <начальное значение> <конечное значение>
<количество точек> [<имя второй переменной> <начальное значение> <конечное значение>
<количество точек>]
в) .DC <имя первой переменной> LIST <значение> … [<имя второй переменной> LIST
<значение> … ]
LIN - линейный масштаб;
DEC - логарифмический масштаб декадами;
LIST - список значений.
Если указаны два варьируемых параметра, то первый параметр изменяется в заданных
пределах для каждого значения второго параметра.
Такой
цикл
удобен
для
построения
полупроводниковых приборов.
51
статических
вольт-амперных
характеристик
Примеры:
.DC LIN 0.5 5.0 0.25
.DC LIN V1 0 10 0.5 V2 0 5 1
.DC V1 0V 10V 0.2V I1 0 10mA 1mA
.DC LIN RES MODRES(R) 0.75 1.5 0.05
.DC DEC NPN KT315A(BF) 20 100 10
.DC TEMP LIST -50 0 27 60 80
Рассмотрим пример расчета характеристики Ik=F(Uk) для биполярного транзистора.
Рис.7.1. Схема для расчета характеристик биполярного транзистора
BiTr
.LIB C:\PSPICE\LIB\Qnom.lib
VC 1 0 DC 5V
IB 2 0 DC 1uA
Q1 1 2 0 KT315
.DC LIN VC 0V 10V 1V IB 0.2uA 2uA 0.4uA
.Probe
.end
Установка приближенных значений узловых потенциалов. Производится по директиве:
.NODESET <имя узла> = <значение ЭДС> …
Пример:
.NODESET V(9)=5.6 V(8)=4.95
К указанным узлам подключаются источники постоянного напряжения с внутренним
сопротивлением 0,002 Ом и рассчитывается одна итерация. Затем эти источники отключаются и
итерационный процесс продолжается. Если указанные значения напряжений были близки к
точному решению, то ускоряется процесс расчета.
3. Расчет малосигнальных чувствительностей
52
Расчет производится по директиве: .SENS <выходная переменная>. После линеаризации
цепи в рабочей точке рассчитывается чувствительность каждой из указанных выходных
переменных к изменению параметров всех компонентов схемы и моделей. Поэтому объем расчета
может быть очень большим.
Пример: SENS V(9)
Если схема состоит из элементов R1, R2, C1 и так далее, то рассчитывается
чувствительности dV(9)/dR1, dV(9)/dR2, dV(9)/dC1 и так далее.
Расчет малосигнальных передаточных функций. Расчет производится по директиве:
.TF <выходная переменная> <имя источника напряжения или тока>
Например:
.TF V(5) VIN
При этом рассчитывается передаточная функция dV(5)/dVIN. И всегда рассчитываются
входные и выходные сопротивления. Результаты расчета включаются в выходной файл.
Применяется при анализе линейных схем.
Расчет амплитудно-частотных характеристик. АЧХ рассчитываются по директиве:
.AC LIN (или DEC) <n> <начальная частота <конечная частота>
Параметр LIN устанавливает линейный шаг по частоте, здесь n - общее число точек по
частоте.
Параметр DEC устанавливает логарифмический характер изменения частоты декадами. При
этом n определяет количество точек в одной декаде.
АЧХ рассчитываются после определения режима по постоянному току и линеаризации
нелинейных компонентов (это делается автоматически).
Статистический анализ по методу Монте-Карло. Производится при статистическом разбросе
параметров элементов, описанных по директиве .MODEL.
Случайное значение параметра Х рассчитывается по формуле
X = Xном(1 + *),
(7.1)
где Xном - номинальное значение параметра;  - относительный разброс параметра X;  центрированная случайная величина, принимающая значение на отрезке (-1, +1).
Относительный разброс параметров _ и закон распределения случайных величин задаются
опцией директивы .MODEL, которая имеет вид:
.MODEL RLOAD RES (R=1 DEV/GAUSS 5% LOT/UNIFORM 10%)
DEV - независимые случайные числа;
LOT - коррелированные случайные числа.
В программе имеются группы случайных величин с 2-я стандартными законами распределения:
UNIFORM - равновероятное распределение на отрезке (-1,+1);
53
GAUSS - гауссово распределение на отрезке (-1,+1);
Кроме того пользователь может задать нестандартные законы распределения случайных
величин  директивой:
.DISTRIBUTION <имя> <<> <P>…>
Параметр <имя> задает имя закону распределения ,который задается в табличной форме.
Пары чисел задают значение случайной величины и соответствующую вероятность Р. Может
быть задано до 100 точек ( - на интервале -1,+1).
Пример описания бимодального распределения.
Рис.7.2. График бимодального распределения
.DISTRIBUTION BIMODAL (-1,1) (-0.5, 1) (-0.5,0) (0.5,0) (0.5,1) (1,1)
Случайным параметрам элементов, закон распределения которых не задан в директиве
.MODEL, по умолчанию назначается распределение, указанное в опции .DISTRIBUTION
директивы .OPTIONS.
Статистические испытания по методу Монте - Карло проводятся при расчете режима по
постоянному току, частотных и переходных характеристик по директиве:
.MC <n> [DS][TRAN][AC]<имя выходной переменной <обработка результатов>
+[LIST][OUTPUT<спецификация >] [RANGE(<минимум > <максимум>]
Параметр n-задает количество статических испытаний .
DC, TRAN или AC-указывает вид анализа.
(имя выходной переменной) - указывает выходную переменную, подлежащую статической
обработке
(обработка результатов) - задается одно из следующих значений:
ymax- расчет максимального значения текущей реализации от номинальной;
max- расчет максимального значения в каждой реализации
min - расчет минимального значения в каждой реализации
FALL EDGE - (<значение>) - определение момента пересечения заданного уровня сверху
вниз. RISE EDGE - снизу вверх.
54
OUTPUT - в отсутствие слова OUTPUT характеристики цепи рассчитываются для
номинального значения параметров. Спецификация к слову OUTPUT:
ALL - во всех реализация
FIRST (m) - для первых m реализаций
RUNS<m1>,<m2> … - для реализаций m1, m2 …
RANGE - ключевое слово, определяет диапазон значений , в пределах которого
статистически обрабатывается выходная переменная. Если поставить знак * , то ограничение
примет значение ∞ .
Пример:
.MC 5 TRAN V(5) Ymax OUTPUT=ALL RANGE(-1,*)
Вопросы для самопроверки
1) Поясните структуру моделирования ИС в spice-программах
2) Почему spice-алгоритм принят как наиболее универсальным для анализа АИС?
3) Какие параметры в описании spice-моделей вам известны?
4) Какие виды анализа возможно провести в spice-программах?
5) Приведите пример описания алгоритма расчета параметра ИС
Лекция № 8. Микросхемотехника аналоговых и аналого-цифровых СФ блоков
Сдерживающим фактором развития СБИС типа «система на кристалле» является
несовершенство аналоговой микросхемотехники, которая требует увеличения области кристалла,
отводимой на активные и пассивные компоненты цепи, и значительных рабочих токов,
обеспечивающих необходимое качество малосигнальных параметров. В этой связи одним из
главных направлений в микроэлектронике по-прежнему являются системные исследования в
предметных областях, которые должны быть нацелены на воспроизводство новых архитектур
контроллеров и микроконверторов, ориентированных на создание соответствующего класса
радиоэлектронной аппаратуры, обоснование экономической и технологической целесообразности
перераспределения «центра тяжести» между СБИС, датчиками и исполнительными механизмами
систем и т.п.
достаточно
Однако, очевидно, всегда в состав обсуждаемого класса СБИС будут входить
сложные
аналоговые
и,
чаще
всего,
инициализируемые
посредством
программируемого ядра блоки, которые и составляют базу «интеллектуального продукта». Здесь
следует учитывать еще одно важное в практическом отношении обстоятельство: создание под
результаты системных исследований комплекта аналоговых IP блоков позволит выйти на новый
принцип организации производства изделий микроэлектронной техники, когда независимо от
внутрикристальной принадлежности функционально законченные устройства обеспечивают более
55
полную аппаратно-программную совместимость нового класса мини-систем. Все это уменьшает
номенклатуру изделий микроэлектроники, позволяет согласовать их параметры и характеристики
и, что самое главное, упрощает их применение в конкретной аппаратуре.
С учетом сказанного можно в настоящее время выделить по крайней мере 4 взаимосвязанные
задачи аналоговой микросхемотехники с традиционным функциональным подчинением.
1. Разработка схемотехники микрорежимных узлов элементного базиса с низким влиянием
технологических погрешностей изготовления активных компонентов.
2. Создание комплекта принципиальных схем активных элементов для аналоговых портов
ввода-вывода.
3. Схемотехника
широкополосных
экономичных
аналоговых
мультиплексоров,
компараторов, источников опорного напряжения и питания, операционных усилителей,
преобразователей импеданса и т.п.
4. Схемотехника прецизионных функционально завершенных устройств аналогового
интерфейса - инструментальные усилители, фильтры, блоки ФАПЧ, АЦП, ЦАП, балансные
смесители и умножители, квадратурные модуляторы и демодуляторы, управляемые генераторы
гармонических колебаний и мультивибраторы и т.п.
В классе первой проблемы необходимы предельные и теоретически обоснованные ограничения,
устанавливающие связь геометрии, технологических норм и режимов работы активных компонентов
и их комбинаций с параметрами, характеризующими широкополосность и усилительные свойства
простейших узлов-каскадов и блоков различного функционального назначения. Выполненные
исследования показывают, что влияние проходной паразитной емкости транзисторов на граничную
частоту полосы пропускания можно существенно уменьшить за счет собственной компенсации - цепи
компенсирующей обратной связи, образованной дополнительными транзисторами. Реализуемый в
этом случае эффект широкополосности может быть использован для уменьшения потребляемой
мощности (не только тока потребления, но и минимального напряжения питания). Так, для
существующих субмикронных биполярных транзисторов достаточно просто обеспечивается
уменьшение указанной мощности каскада примерно на порядок. Учитывая, что в схемотехнике
операционных усилителей, преобразователей импеданса, компараторов, стабилизаторов и источников
опорного напряжения количество каскадов усиления не превышает двух, а число активных
компонентов составляет несколько десятков единиц, увеличение общего числа транзисторов
оказывается незначительным и реализуемый эффект существенным для решения общей задачи.
Следует отметить, что увеличение граничной частоты полосы пропускания каскада позволяет также
повысить скорость нарастания выходного напряжения. Однако в случае уменьшения потребляемой
мощности повышение скорости нарастания выходного напряжения без дополнительного увеличения
потребляемого тока в статическом режиме обеспечивается за счет применения цепей нелинейной
56
коррекции, причем, как и в первом случае, рост числа транзисторов незначителен и в пересчете на
активный элемент (например, операционный усилитель) не превышает 10%. Теоретически показано,
что отмеченные выше принципы являются единственными для создания широкополосных каскадов и
усилителей. Именно поэтому они могут явиться основой построения комплекта принципиальных схем
активных элементов для аналоговых портов ввода-вывода и ориентироваться на различный базис и
технологию их производства.
Указанная задача является одной из наиболее трудоемких и важных в обсуждаемой
проблеме. Такое утверждение базируется на естественном для микроэлектроники факте принятия
решения только после получения топологии узла или изделия, его послойной совместимости, а
также возможности контроля. Только библиотека таких элементов позволит автоматизировать
процедуру проектирования и принятия решения о целесообразности развития той или иной
архитектуры системы на кристалле.
Очередным
важным
этапом
решения
задачи
является
разработка
схемотехники
широкополосных экономичных и адаптированных под конкретную технологию функционально
завершенных узлов, являющихся важной составной частью портов и аналоговых СФ блоков.
Комплекты разнообразных операционных усилителей, компараторов и источников опорного
напряжения позволяют в сочетании с новыми конфигурациями функционально завершенных
устройств, полученных, в частности, методом структурного синтеза, достаточно точно определить
предельные для решаемой задачи реализационные возможности различных структур аналоговых
портов, возможность построения не мультиплексированных архитектур или, в крайнем случае,
обоснование целесообразности создания мини-системы. Не менее важной в практическом
отношении является возможность совмещения различных функционально неоднородных узлов
аналогового интерфейса. Такой подход может обеспечить решение ряда важных задач из многих
сложных ситуаций. Например, создание схемотехники мультидифференциальных операционных
усилителей, теоретического базиса для построения на их основе линейных аналоговых устройств
позволило разработать на одном активном элементе схему экономичного аналогового порта ввода,
совмещающего функции инструментального усилителя и фильтра.
Четвертая задача общей проблемы аналоговой электроники, ориентированной на СБИС типа
«система на кристалле», связана с развитием схемотехники прецизионных функционально
завершенных устройств как с фиксированными, так и с управляемыми параметрами. Методы их
структурного синтеза позволяют создать принципиальные схемы с расширенными частотным и
динамическим диапазонами, что достигается как структурной, так и параметрической оптимизацией
влияния частоты единичного усиления активных элементов на их основные характеристики и
параметры. В рамках выполненных исследований, в частности, показано, что при построении
инициализируемых двоичным кодом устройств необходимо увеличивать число активных элементов
57
(усилителей), которые совместно с цифроуправляемыми проводимостями позволяют создать на базе
принципа собственной компенсации устройства с низкой суммарной чувствительностью к частоте
единичного усиления и другим параметрам операционных усилителей. Указанное обстоятельство
позволяет перевести в практическую плоскость вопрос конкурентоспособности аналоговых портов с
фиксированными и управляемыми параметрами. Несмотря на относительную сложность последних
их эффективность в СБИС может оказаться решающим фактором в процедуре принятия решения. По
крайней мере, существующие алгоритмы цифровой обработки сигналов показывают, что за счет более
полного использования разрядной сетки и исключения этапа частотной фильтрации можно не только
повысить быстродействие системы, но и достоверность конечных результатов.
Наконец, и это самое важное на начальном этапе развития проблемно-ориентированных
систем на кристалле, сложные в аппаратной (компонентной) реализации инициализируемые, но
эффективные аналоговые интерфейсы могут изменить стратегию построения мини-систем. Двухи трехкристалльные мини-системы будут состоять из принципиально асимметричных решений первая СБИС решает задачу аналого-цифрового преобразования на базе сложных портов ввода
данных, их предварительную обработку, включая и оценку производных, сортировку входных
масссивов, арбитраж прерываний и т.п. Что касается второй СБИС, то по своему
функциональному назначению это может быть центральный процессорный элемент системы.
Возможны и другие, более сложные варианты их взаимодействия, но в любом случае
существенное упрощение процедуры синхронизации не только повысит производительность
системы в целом, но и снимет ряд проблем на пути повышения их предельной сложности.
Однако, как и ранее, возможность технологической реализации такого подхода будет
непосредственно
зависеть
от
глубины
проработки
схемотехнической
реализации
инициализируемых аналоговых устройств и создания соответствующей библиотеки IP модулей.
Следует также выделить задачи аналоговой микросхемотехники, ориентированные на СБИС
аппаратуры связи. Здесь ввод данных (сигналов) в SoC-контроллер решается относительно простыми
аппаратными
ресурсами.
Сравнительно
небольшой
динамический
диапазон,
отсутствие
необходимости усиливать медленно меняющиеся (близкие к постоянному току) аналоговые сигналы
существенно упрощают схемотехнические решения соответствующих узлов и модулей. Однако
одновременно с этим обеспечение высокой скорости передачи обрабатываемых данных может
заметно усложнить схемотехнику портов вывода, что связано с передачей в линию связи, включая и
радиотракт, относительно большой мощности в диапазоне высоких частот. Именно здесь
использование принципа собственной компенсации влияния проходных емкостей транзисторов может
дать хороший результат.
Сравнение существующих мини- и микроконтроллерных систем показывает, что этот переход
заметно сократил число функциональных и математических операций, выполняемых аналоговыми
58
узлами. Несомненно, это сместило «центр тяжести» и негативным образом повлияло на предельные
реализационные возможности СБИС в радиоэлектронной аппаратуре. В этой связи с определенной
уверенностью можно утверждать, что создание экономичных широкодиапазонных элементов и
устройств, образующих функциональный базис современных IP модулей, позволит в SoCконтроллерах, пусть и частично, сохранить преимущества гибридных мини-систем обработки
аналоговых сигналов. Рассмотренные выше задачи сведены в таблицу, показанную на рис.8.1.
59
Рис.8.1.
60
Приведенные выше соображения в области аналоговой микросхемотехники требуют
дополнительных комментариев. По данным ведущих зарубежных фирм, занимающихся
проектированием и изготовлением СБИС «система на кристалле», в настоящее время
сдерживающим фактором, влияющим на появление на рынке новых поколений этих изделий,
является время разработки IP блоков и соответствующих чипов. И если для решения указанных
проблем Texas Instruments и Burr-Brown объединили свои усилия в единой корпорации, то другие
фирмы создали открытые ассоциации, в рамках которых осуществляется обмен этим
интеллектуальным продуктом, формирование портфеля заказов как на изготовление, так и на
сопровождение
СБИС.
Основу
таких
ассоциаций
составляют
центры
проектирования,
занимающиеся системным, схемотехническим и конструкторско-технологическим уровнями
проектирования под определенные производства - кремниевые мастерские.
Последние несколько лет источники питания с напряжением 5 В вытесняются более
низковольтными. Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа
батарей в таких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры,
привели к снижению напряжения питания в цифровых схемах до уровня 1,5 В. Эта тенденция
была реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобы
обеспечить максимальную частоту среза (f1) в компромиссе с напряжением пробоя (Uпр). Для
кремниевых транзисторов
f1 U пр  сonst . Таким образом, малые размеры транзисторов,
обеспечивающие высокие значения f1 (до 200 ГГц), привели к снижению напряжения питания
микросхем.
Уменьшение напряжения питания Еп в цифровых биполярных схемах приводит к появлению
новых проблем, и некоторые из них становятся особенно важными при напряжении питания менее
2 В. Принципиальная сложность уменьшения напряжения Еп состоит в том, что биполярный
транзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер Uбэ, которое не сокращается линейно с
уменьшением технологических норм, так как
U бэ   т ln
Iк
,
Is
где т  kT / q , Iк - ток коллектора; Is - обратный ток эмиттерного p-n перехода. При этом
параметры транзистора и уровни тока оказывают слабое влияние на напряжение Uбэ. На практике
плотность тока в биполярном транзисторе (Iк/Is), изменяя свое значение, также слабо влияет на
напряжение Uбэ. Если в используемой технологии Uбэ =0,8 В, то применение 1,5 В источника
питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Еп не может быть включено больше, чем
один переход база-эмиттер.
Другая трудность в проектировании низковольтных аналоговых и цифровых схем на
биполярных транзисторах состоит в том, что значение амплитуды переключения в типичных ЭСЛ
61
схемах не может определяться произвольно, а минимальное значение ограничено уровнем шума.
Биполярная дифференциальная пара (дифференциальный каскад в структуре ЭСЛ) требует, чтобы
уровень входного логического сигнала был как минимум 5,5т. В действительности же, к этому
напряжению нужно еще добавить падение напряжения на сопротивлениях в эмиттерной цепи, а
также остаточное напряжение при неполном переключении, ограниченном коэффициентом
усиления по току, и падение напряжения на шинах питания. Все это приводит к тому, что
минимальное напряжение переключения должно составлять несколько сотен милливольт.
Для того чтобы поддерживать высокую скорость работы транзисторов, они не должны
входить в «тяжелый» режим насыщения. Это ограничение прямо воздействует на минимальное
напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ), которое тоже составляет примерно 400 мВ. Учитывая
вышесказанное, а также численные значения напряжения Uбэ ≈ 800 мВ, можно сделать вывод о
том, что запрещается использовать многоярусные дифференциальные пары или каскодные
конфигурации (архитектуры) при напряжении питания 1,5 В.
Таким образом, отсутствие возможности масштабирования напряжения на переходе базаэмиттер еще больше обостряет проблему дальнейшего масштабирования напряжения питания
схем на биполярных транзисторах. Для КМОП транзисторов такой проблемы не существует в
принципе, потому что их пороговое напряжение Uп может быть снижено на стадии производства.
На практике такие неидеальности КМОП транзисторов, как наличие проводимости, при
отсутствии приложенного к затвору порогового напряжения (так называемая подпороговая
проводимость), зависимость порогового напряжения от температуры, а также эффект короткого
канала, приводят к тому, что необходимо для КМОП транзисторов установить пороговое
напряжение, равное нескольким сот милливольтам. Это приближает их по статическим
характеристикам к биполярным транзисторам.
Литература
1. Mantooth A., Chaudhary V., Francis M., and Lemaitre L., Automatic Generation of Compact
Semiconductor Device Models using Paragon and ADMS // BMAS 2004 - http://www.bmas-conf.org.
2. Cadence Virtuoso Custom Design platform overview // Cadence Design Systems, Inc., 2003.
3. Wang S., An-Chang Deng. Delivering a Full-chip Hierarchical Circuit Simulation & Analysis
Solution for Nanometer Designs // White paper of Nassda Corporation, 2001.
4. Virtuoso® UltraSim Simulator User Guide, Version 6.0 // Cadence Design Systems, Inc., May 2005.
5. Денисенко В.В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС // Компоненты и
технологии. - 2002. - № 3. - С. 74-78.
6. Spectre® Circuit Simulator User Guide, Version 6.0 // Cadence Design Systems, Inc., November
2004.
7. K. Kundert. The Designer's Guide to SPICE and Spectre® // Kluwer Academic Publishers, 1995.
62
8. Kundert K., Zinke O. Designer's Guide to VERILOG-AMS // Kluwer Academic Publishers, 2004.
63