Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Исследование и разработка методов проектирования топологии аналоговых СФ блоков на основе автоматически формируемых матричных структур Журавлев Арсений Андреевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Журавлев Арсений Андреевич. Исследование и разработка методов проектирования топологии аналоговых СФ блоков на основе автоматически формируемых матричных структур: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.27.01 / Журавлев Арсений Андреевич;[Место защиты: ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»], 2017.- 163 с.

Введение к работе

Актуальность работы.

С увеличением степени интеграции сверхбольших интегральных схем (СБИС), с ростом технических и экономических требований к разрабатываемым аналоговым и цифро-аналоговым устройствам усложняются как сами устройства, так и процесс их разработки. Современные СБИС могут состоять из нескольких миллиардов элементов. Для создания таких устройств требуются новейшие средства автоматизированного проектирования. В состав ИС могут входить как цифровые блоки, так и аналоговые или цифро-аналоговые блоки. Например, системы на кристалле (System-on-a-Chip, SoC) содержат, как правило, микроконтроллер, блоки памяти, АЦП, стабилизатор питания и др. В таких схемах аналоговые элементы составляют меньшую часть, но в то же время их разработка требует больших затрат ресурсов.

Для проектирования цифровых устройств существуют эффективные
современные системы автоматизированного проектирования (САПР),

позволяющие автоматически синтезировать как схемы, так и топологию этих схем. Одной из самых распространенных САПР на сегодняшний день является САПР компании Cadence. В процессе проектирования цифровых блоков с использованием средств САПР Cadence создается синтезируемое поведенческое описание схемы на языке Verilog, проводится синтез, результатом которого является схема, состоящая из логических вентилей и триггеров, входящих в состав цифровой библиотеки. Разработчику создавать библиотеку цифровых элементов не требуется. Топология полученной схемы реализуется также за счет автоматического синтеза. После этого проводится верификация. Таким образом, весь процесс проектирования цифровых блоков полностью автоматизирован.

Методы автоматизированного проектирования аналоговых схем имеют
определенные ограничения. Использование САПР позволяет проектировать
аналоговые устройства следующим образом. Схемы проектируются на
параметризованных библиотечных элементах. Разработчику необходимо

спроектировать схему на таких элементах, определив их основные параметры
(например, ширина и длина канала транзистора, сопротивление резистора,
емкость конденсатора и др.). Для подтверждения правильности установленных
параметров элементов проводится моделирование схемы, позволяющее

определить ее необходимые статические и динамические характеристики, определить влияние разброса параметров элементов на эти характеристики. Топология схемы также выполняется вручную: размещение элементов схемы с заданными параметрами и разводка. При разработке схемы и топологии имеется возможность построения иерархических структур, использование которых упрощает и ускоряет проектирование, а также минимизирует возможность появления ошибок, связанных с копированием элементов, изменением размеров и т.д. После выполнения топологии проводится верификация: проверка проектных норм и соответствие топологии электрической схеме. Затем проводится моделирование схемы с учетом паразитных элементов, экстрагируемых из

топологии. При необходимости улучшения характеристик схемы редактируется топология (в некоторых случаях и схема), снова проводится верификация. При этом небольшое изменение в схеме может привести к значительной переработке топологии, что означает увеличение времени, необходимого на выполнение работы. Таким образом, проектирование аналоговых схем – сложный процесс, требующий больших затрат времени и ресурсов. Автоматизированы только отдельные этапы данного процесса.

В настоящей работе представлены методы, позволяющие в значительной
степени автоматизировать процесс проектирования аналоговых схем, в том числе
синтезировать их топологию. Тем не менее, предложенные решения данной
задачи не являются окончательными, имеются нерешенные проблемы. Сложность
данной работы заключается в том, что при синтезе аналоговых схем помимо
усложняющихся правил проектирования, выполнения согласования элементов
схемы, симметричного расположения шин и многих других топологических
аспектов, необходимо учитывать специфику работы схемы. Даже оптимальное
расположение элементов схемы с точки зрения занимаемой площади может
привести к ухудшению некоторых характеристик схемы. То есть методика,
позволяющая автоматически синтезировать топологию простых усилителей,
может быть совершенно непригодной для синтеза топологии быстродействующих
компараторов. Таким образом, исследование и разработка методов

проектирования топологии аналоговых СФ блоков на основе автоматически формируемых матричных структур является актуальной задачей, выполнению которой посвящена данная диссертация.

Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов проектирования топологии аналоговых СФ блоков на основе автоматически формируемых матричных структур, позволяющих синтезировать топологию составных частей этих блоков.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

  1. Анализ факторов, влияющих на согласование элементов, и определение основных требований к проектированию параметризованных базовых аналоговых блоков.

  2. Разработка алгоритма построения массивов сегментов согласованных элементов в зависимости от количества элементов, количества сегментов в них, а также количества строк и столбцов в массиве.

  3. Разработка методики проектирования параметризованных базовых аналоговых блоков на основе согласованных матричных элементов.

  4. Разработка методики проектирования параметризованных аналоговых функциональных блоков на основе параметризованных базовых аналоговых блоков.

  5. Применение разработанных методик и алгоритма при разработке параметризованных аналоговых базовых и функциональных блоков с последующим их применением при проектировании аналоговых СФ блоков.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих результатах:

  1. На основе анализа факторов, влияющих на согласование элементов, определены основные требования к построению параметризованных базовых аналоговых блоков и установлены ограничения на использование в топологии параметризованных базовых аналоговых блоков элементов с минимальными геометрическими размерами.

  2. Предложен алгоритм построения массивов сегментов согласованных элементов в зависимости от количества элементов, количества сегментов в них, а также количества строк и столбцов в массиве при проектировании параметризованных базовых аналоговых блоков на основе матричных элементов и удовлетворяющих всем критериям согласования.

  3. Установлены ограничения на построение массивов сегментов согласованных матричных элементов в зависимости от количества строк и столбцов в массиве, количества матричных элементов в базовом блоке и соотношения количества сегментов в них.

  4. Предложена методика проектирования параметризованных базовых аналоговых блоков на основе независимых от технологии согласованных матричных структур.

  5. Предложена методика проектирования параметризованных аналоговых функциональных блоков на основе параметризованных базовых аналоговых блоков.

Практическая значимость работы.

  1. Разработан алгоритм, позволяющий организовать сегменты согласованных элементов в массив в зависимости от количества элементов, количества сегментов в них, а также количества строк и столбцов в массиве.

  2. Разработана уникальная библиотека параметризованных базовых аналоговых блоков, предназначенных для проектирования прецизионных аналоговых и цифро-аналоговых схем.

  3. Разработанные методики использовались для создания новых параметризованных аналоговых базовых и функциональных блоков, что позволило расширить набор библиотечных элементов.

  4. Разработан маршрут проектирования аналоговых и цифро-аналоговых схем с использованием параметризованных аналоговых базовых и функциональных блоков, с использованием которого в рамках выполнения ОКР спроектирована библиотека аналоговых IP блоков и СФ блоков, выполненных по технологии КНИ 180 нм, включающая в себя следующие устройства: компараторы, операционные усилители, источники опорного напряжения, детекторы напряжения питания (супервизоры), аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи и др.

  5. Основные результаты диссертационной работы использовались при выполнение следующих НИР и ОКР:

- «Разработка и изготовление на отечественном предприятии по технологии с минимальными топологическими нормами не более 0,18 мкм

библиотеки аналоговых IP блоков для использования в составе сверхбольших интегральных схем «система на кристалле» на предприятиях АО «НИИМЭ» и ПАО «Микрон», постановление Правительства Российской Федерации №1410-35.

- «Разработка практических методов проектирования и создания СФ-
блоков для аналогово-цифровых наноэлектронных систем с ограниченным
ресурсом мощности источника питания с использованием технологии SiGe»,
Задание Минобрнауки РФ № 8.3459.2017/ПЧ, Научный руководитель Чаплыгин
Ю.А.

«Исследование и разработка методов создания источников и приемников излучения сигналов терагерцового диапазона на основе совместного использования SiGe и GaAs технологий », Договор № 16-29-09588, Руководитель Чаплыгин Ю.А.

«Разработка конструкций и технологии изготовления трехмерных интегральных структур, повышающих эффективность холодной эмиссии в устройствах микровакуумной техники», по Соглашению о предоставлении Субсидии с Минобрнауки РФ № 14.578.21.0219 от 26.09.2016, Научный руководитель Чаплыгин Ю.А.

На защиту выносятся:

  1. Алгоритм построения массивов сегментов согласованных элементов в зависимости от количества элементов, количества сегментов в них, а также количества строк и столбцов в массиве.

  2. Методика проектирования параметризованных базовых аналоговых блоков на основе согласованных матричных элементов.

  3. Методика проектирования параметризованных аналоговых функциональных блоков на основе параметризованных базовых аналоговых блоков.

  4. Результаты апробации методик на СФ блоках, спроектированных по технологии КНИ 180 нм с использованием транзисторов А-типа и H-типа.

Личный вклад автора.

Результаты, изложенные в настоящей диссертационной работе и приведенные в положениях, выносимых на защиту, получены автором лично. Постановка целей и задач исследования, анализ существующих решений, разработка методик и их применение при разработке аналоговых СФ блоков выполнены лично автором.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и демонстрировались на следующих научно-технических конференциях:

21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2014», НИУ МИЭТ, г. Москва, 2014г.;

7-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2014», НИУ МИЭТ, г. Москва 2014г.;

57-я Научная конференция МФТИ с международным участием «Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук в области физики», МФТИ, г. Москва, 2014г.;

22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2015», НИУ МИЭТ, г. Москва, 2015г.;

23-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2016», НИУ МИЭТ, г. Москва, 2016г.;

59-я Научная конференция МФТИ с международным участием. «Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук в области физики», МФТИ, г. Москва, 2016г.;

24-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2017», НИУ МИЭТ, г. Москва, 2017г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 10 работ, включая 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, 7 - в сборниках научных трудов и тезисах докладов научно-технических конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, приложения. Объем работы составляет 163 страницы, включая 59 рисунков, 7 таблиц, список цитируемых источников из 111 наименований.