1
Áramkörszimuláció

• a mikroelektronikai tervezésben

2
Áramkörszimuláció

• Tarnzisztor szintu vagy analóg szimuláció
• Az ellenorzés eszköze pl.
• standard cella tervezésénél,
• analóg áramköri tervezésnél,
• azaz minden olyan esetben, amikor az áramkört
• tranzisztor szintu kapcsolási rajz, illetve
• kézi tervezésu layout formájában
• terveztük meg

3
Az áramkörszimuláció helye
4
Az áramkörszimuláció helye

• Digitális tervezésnél
• Nem találkozunk vele, mert az áramkörtervezo
  ezeken az absztrakciós szinteken (rendszer szint,
  logikai séma) nem tervez.
• Standard cella tervezése
• A cellát tranzisztor szinten tervezzük, tehát
  szükség van áramkörszimulációra.
• Analóg tervezés
• Tranzisztor szinten történik, az ellenorzés
  eszköze az áramkörszimulátor.

5
Az áramkörszimuláció helye
6
Áramkörszimulációs programok

• A legismertebb SPICE
• Berkeley SPICE
• PSPICE
• egyéb kerekedelmi verziók
• BME-EET TRANZ-TRAN (19692003)
• PC-s DOS-os verzió
• elektro-termikus verzió SISSI
• Aplac (Helsinki Muszaki Egyetem)
• SABER
• ...

7
Egy áramkörszimulációs program struktúrája
GUI
Preprocesszor
netlista
Gerjesztések, vezérlo utasítások
Szimulációs mag (solver vagy engine)
Katalógus
Eredmény file-ok
Posztprocesszor
8
A kezeloi felület (GUI)

• A tervezo rendszer szolgáltatásait igénybe véve
  is kialakítható, lásd Cadence Opus
• composer
• waveform megjeleníto
• A szimulációs rendszer része lehet
• PSPICE
• TRANZ-TRAN (DOS, SISSI)

9
Egy áramkörszimulációs program struktúrája
10
Egy áramkörszimulációs program struktúrája
11
A szimulációs mag felépítése
netlista
Hálózategyenletek generálása
Matematikai megoldó algoritmusok
Eszközmodellek
Katalógus eszközparaméterek
12
A szimulációs mag

• Hálózategyenletek generálása
• Kirchhoff-egyenletek automatikus felírása
• Matematikai megoldó algoritmusok
• Kirchhoff-egyenletek megoldás
• Eszközmodellek
• Félvezeto eszközök, passzív alkatrészek,
  generátorok, stb.
• Ezek pontossága határozza meg, hogy a
  szimuláció mennyire lesz jó.

13
Áramkörszimulációs programok osztályozása

• Analízis fajták nemlineáris programoknál
• nemlin. DC (munkapont meghatározása)
• DC transzfer kar. számítás (sorozatos DC)
• nemlin. tranziens (idotartománybeli)
• frekvenciatarománybeli (munkaponti
  linearizálással)
• A matematikai algoritmus mindig az analízis
  fajtától függ.

14
Megoldó módszerek

• Csomóponti potenciálok módszere
• elsodleges jellemzok a hálózat csomóponti
  feszültségei egy adott referncia ponthoz képest
• könnyen implementálható
• jól illeszkednek hozzá a félvezeto modellek
  (feszültség függvényében áramok)
• ez az elterjedt módszer
• induktivitás és feszültségforrás csak veszteséges
  modellel írható le
• Hurokáramok módszere
• Állapotváltozós módszer
• elsodleges jellemzok a kapacitások töltése,
  induktivitások fluxusa
• kicsit bonyolultabb az implementációja
• minimális egyenletszám, ideális alkatrészek

15
Megoldó módszerek

• A matematikai algoritmusok
• lin. DC
• M csomópontnál M-ismeretlenes lineáris
  egyenletrendszer megoldása (pl. Gauss-elimináció)
• nemlin. DC
• M csomópontnál M-ismeretlenes nemlineáris
  egyenletrendszer megoldása (pl. Newton-Raphson
  it.)
• kisjelu AC
• M csomópontnál M-ismeretlenes komplex
  együtthatós lineáris egyenletrendszer megoldása
  (pl. Gauss-elimináció)
• nemlin. tranziens
• M-ismeretlenes nemlin. differenciál-egyenlet
  rendszer megoldás (pl. reverse-Euler módszer)

16
Szolgáltatások

• Lineáris DC szimuláció
• Nemlineáris DC szimuláció,
• DC transzfer-karakterisztika számítása
• Frekvencia-tarománybeli szimuláció
• A modelleket egy DC munkapont körül linearizálják
• Kisjelu AC szimuláció egy adott frekvencián
• Bode diagramok számítása
• Nemlináris (nagyjelu) tranziens szimuláció
• Tolerancia analízis
• Zaj analízis
• Torzítások vzisgálata
• Termikus hatások figyelembevétele, stb.

17
Alkatrész készlet

• Passzív alkatrészek - lináris elemek
• koncentrált paraméteres R, C (ideális), L
  (veszteséges),
• tápvonal modellek
• Beépített makro modellek trafó, lin. OpAmp
• Generátorok - lináris elemek
• feszültséggenerátor (veszteséges, belso
  ellenállása van)
• áramgenerátor (ideális, belso ellenállása
  végtelen)
• vezérelt generátorok (feszültségvezérelt I, U)
• Félvezeto eszközök - nemlináris elemek
• dióda
• bipoláris tranzisztor
• JFET
• MOSFET
• Felhasználó által definiálható modellek
• makro modellek paraméterezheto részáramkörök
• szubrutinnal (egyenlettel) megadható modellek

18
Modellek

• A szimulációs magba beépített egyenletek
  beépített modellek
• Pl. ideális dióda modellje
• I Io ? exp(U/mUt)-1
• Modellparaméterek
• A SPICE-ban a paraméterek
• halmazát is modellnek szokták
• nevezni.

19
Egy MOS tranzisztor modelljének topológiája

• Bulk csomópont (bulk hatáshoz kell)
• Termikus ág (saját melegedés hatása, termikus
  csatolás), árama PIdUds
• Homérséklet-vezérelt elektromos ágak

20
Modellek

• A modellek pontossága függ
• a beépített egyenletektol
• a paraméterkészlet minoségétol
• Például MOS tranzisztorok esetében
• MOS1 (TRTR), level1 (SPICE)
• négyzetes karakterisztika
• MOS2 (TRTR), level2 / level3 (SPICE)
• bulk hatás,
• rövid- és keskenycsatornás effektusok
• küszöb alatti áramok (SPICE)
• saját melegedés (TRTR)
• EKV modell (TRTR), BSIM3 modell (SPICE)
• szubmikronos eszközökre is jók

21
Követelmények a modellekkel szemben

• A modellek illeszkedjenek a megoldó
  algoritmushoz.
• Pl. csomóponti potenciálok módszere esetében
  I(U) karakterisztikákat szolgáltassanak
• bemenet ágfeszültség
• kimenet ág árama,
• (differenciális) vezetése,
• ág kapacitása
• A valóságos eszközöket minél huebben írják le
• Egyszeruek, kis futási idejuek legyenek
• Explicit, analítikus összefüggés, ne legyen
  belso iteráció
• Numerikus stabilitás (ne szálljon el extrém
  bemenetre sem - pl. dióda)
• Könnyen meghatározhatóak legyenek a paraméterek

22
Követelmények a megoldó algoritmusokkal szemben

• Az egyes szimulációk eredményei konzisztensek
  legyenek
• AC(f ? 0Hz) ? DC
• Tranziens eredmények t 0s-ban egyezzenek meg a
  DC eredményekkel
• Nagyon lassú tranziens ? DC transzfer kar.
• Gyorsak és RAM takarékosak legyenek
• ritka mátrix technikák
• Numerikus stabilitás, jó konvergencia
  tualjdonságok
• módosított Newton-Raphson iteráció
• adaptív lépésköz szabályozás tranziensnél

23
Elektro-termikus szimuláció

• Az áramkörök saját melegedése hatással van a
  muködésükre
• Ez különösen igaz egyes analóg áramkörök esetében
• munkapont elmozdul,
• termikus visszacsatolás befolyásolja a dinamikus
  viselkedést,
• A layout kialakításánál ügyelni kell erre (pl.
  szimmetrikus layout - lásd matching rules)
• Még digitális áramköröknél is szükség lehet a
  termikus hatások szimulációjára...

24
Introduction

• SISSI Simulator for Integrated Structures by
  Simultaneous Iteration
• Experimental software package on top of a
  particular design kit within Cadence Opus
• Tools of our own development THERMODEL,
  TRANS-TRAN, THERMAN
• Glued by scripts in the SKILL language of Cadence
  Opus
• Schematic entry, layout extraction, results
  visualization - system services of Opus
• Benchmark problems simulated with success
• The renewal of the package
• own GUI with draft layout editor

25
Experiences CMOS OpAmp
DC simulation good agreement between simulation
and measurement
26
Experiences micro-thermostat
Tight thermal coupling, effect of the
encapsulation. Good agreement between simulation
and measurement
27
The general flowchart
28
Design flows

• Schematic entry draft layout
• Simultaneous editing of schematics and layout
  (for components relevant from thermal point of
  view)

29
Design flows

• Schematic entry draft layout

30
Design flows

• Layout-based electro-thermal simulation

31
Design flows

• Layout-based electro-thermal simulation layout
  extractor

32
Layout extractor

• Techno file editing

33
Layout extractor

• Defining the include mask
• SIAL layer for extracting Si-Al contacts to
  consider the Seebeck-effect if needed

34
Layout extractor

• Result layout of dissipating temperature
  sensitive elements (THERMAN CIF formats)

35
The complete thermal model

• Each element of the matrix of thermal couplings
  can be described as presented
• If the electronic circuit contains N thermally
  coupled (dissipative and/or temperature
  sensitive) components, N2 ladders are needed. For
  N2

36
Modeling thermal impedances
37
Electro-thermal device models

• A basic set of electro-thermal device model has
  been implemented
• Need for advanced models - we are working on
  implementation of an electro-thermal EKV MOS model

38
Presentation of the results

• Nodal voltages, device temperatures,
• Device dissipations,
• Function plots
• transient,
• transfer
• Bode
• Temperature maps
• 2D or axonometric
• profile cross-sections

39
Presentation of the results
40
Example OpAmp
Benchmark example of Solomon demonstrating the
effect of the thermal feedback on operational
amplifiers.
Two layout arrangements with different package
structures have been studied.
41
Effect of layout arrangement
DC transfer characteristics depend on the
layout symmetric layout - symmetric x-fer
char. asymmetric layout - asymmetric x-fer char.
42
Effect of package structure
DC transfer characteristics depend on the package
structure
Frequency-domain behavior depends on the package
structure
43
Effect of package structure
Transient behavior also depends on the package
structure
44
Electro-thermal simulation on gate level
(logi-thermal simulation)

• On-line toggle counting during Verilog simulation
• Power calculation from the toggle counts together
  with the timing information. This will give for
  each instance the total energy dissipated.
• Annotate for each cell instance its power into
  the physical representation, and extract the
  whole in a format compatible with the thermal
  simulator the thermal simulator
• Run the thermal simulator (THERMAN) in DC mode.
  The power data corresponds to a steady-state
  simulation.
• Compute the total power of the design by making
  the sum, and use this value as a single input to
  the lumped RC model for package simulation.

45
Some research results Logi-thermal simulation
feasibility study

• Temperature gradients on the chip surface

8-bit counter, 1 micron CMOS process, 25 MHz, 2
modes of operation Floorplan taken from Opus,
event-count density from Verilog, own
logi-thermal gate models, own thermal simulator
Implementation now in progress in Grenoble using
MicReDs THERMAN
46
(No Transcript)
47
Logi-thermal simulation examples
Design layout
Digital circuit with 2 RAM blocks (0.6µm CMOS,
20k gates, 40 MHz, 15mm2). Maximum temperature
gradient was 14 degrees.
48
Design layout
Temperature profile of a 32x32 bits combinational
multiplier, (0.18µm CMOS, 7k gates, 200MHz,
0.085 mm2)