Аналого-цифровые методы моделирования радиоэлектронных компонентов и устройств
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
Южный федеральный университет
Автор:
Мережин Николай Иванович
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 135
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9275-2287-3
Артикул: 699278.01.99
Доступ онлайн
175 ₽
В корзину
В монографии рассмотрены аналого-цифровые методы моделирования радиоэлектронных компонентов и устройств. Предлагаемые методы позволяют повысить адекватность моделирования различных радиоэлектронных устройств, особенно, находящихся под воздействием различных внешних воздействующих факторов (низкие и высокие температуры, радиация и др.).
Для научных работников, инженеров и студентов вузов, занимающихся исследованием и разработкой радиоэлектронных устройств и систем с помощью современных средств автоматизированного проектирования.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Н.И. Мережин АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ И УСТРОЙСТВ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ” Инженерно-технологическая академия Н.И. Мережин АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ И УСТРОЙСТВ Монография Ростов-на-Дону Таганрог Издательство Южного федерального университета 2016
УДК 621.37/39 ББК 32 М52 Печатается по решению редакционно-издательского совета Южного федерального университета Рецензенты: заместитель генерального директора по перспективным проектам ООО «ХСМ Морское проектирование», кандидат технических наук Ишутко А.Г.; доцент кафедры радиотехнических и телекоммуникационных систем Южного федерального университета, кандидат технических наук, доцент Клименко П.П. Ведущая организация: Кафедра радиоэлектронных систем Донского государственного технического университета. Мережин, Н.И. Аналого-цифровые методы моделирования радиоэлектронных компонентов и устройств : монография / Мережин Н.И. ; Южный федеральный университет. Ростов-на-Дону Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2016. – 135 с. ISBN 978-5-9275-2287-3 В монографии рассмотрены аналого-цифровые методы моделирования радиоэлектронных компонентов и устройств. Предлагаемые методы позволяют повысить адекватность моделирования различных радиоэлектронных устройств, особенно, находящихся под воздействием различных внешних воздействующих факторов (низкие и высокие температуры, радиация и др.). Для научных работников, инженеров и студентов вузов, занимающихся исследованием и разработкой радиоэлектронных устройств и систем с помощью современных средств автоматизированного проектирования. УДК 621.37/39 ББК 32 ISBN 978-5-9275-2287-3 © Южный федеральный университет, 2016 © Мережин Н.И., 2016 М52
СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ .................................................................................................. 5 ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... 5 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИС НА ЭТАПЕ СХЕМОТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАБОТЫ.............................................................. 10 1.1. САСПР ИС с использованием численных методов моделирования... 10 1.2. Аналоговое моделирование ИС на этапе схемотехнического проектирования................................................................................................. 15 1.3. Методы и средства аналого-цифрового моделирования ...................... 20 1.4. Постановка задачи работы ....................................................................... 25 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САСПР ИС НА БАЗЕ ЦИФРООРИЕНТИРОВАННОГО МЕТОДА МОДЕЛИРОВАНИЯ........... 27 2.1. Анализ статических режимов цифроориентированным методом ....... 27 2.2. Анализ динамических режимов ИС цифроориентированным квазидинамическим методом.......................................................................... 35 2.3. Аналого-цифровое моделирование шумовых характеристик ИС ....... 37 2.4. Точность, сходимость и устойчивость цифроориентированного метода моделирования ИС .............................................................................. 42 Выводы .............................................................................................................. 53 3. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ ИС ................... 53 3.1. Особенности информационного обеспечения цифроориентированных САСПР и варианты построения цифроуправляемых моделей компонентов ИС....................................................................................................................... 53 3.2. АЦМ многополюсного полупроводникового прибора, использующая принцип самоаналогии .................................................................................... 57 3.3. Аналого-цифровые модели биполярных и МДП-транзисторов ......... 60 3.4. Квазидинамические аналого-цифровые макромодели аналоговых и цифровых ИС.................................................................................................... 68 Выводы .............................................................................................................. 76 4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ (АЦВС) И МОДЕЛЕЙ ........................... 77 4.1. АЦСВ для моделирования статических и динамических режимов ИС77 4.2. АЦВС для моделирования шумовых характеристик ИС...................... 93 4.3. Техническая реализация аналого-цифровых моделей полупроводниковых приборов........................................................................ 98 Выводы ............................................................................................................ 104
5. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИС НА ЭТАПЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ...................... 105 5.1. Динамические цифроуправляемые модели полупроводниковых приборов.......................................................................................................... 105 5.2. Цифроориентированный метод моделирования динамических характеристик ИС........................................................................................... 109 5.3. Аналого-ориентированный и сбалансированный методы моделирования динамических характеристик ИС...................................... 114 5.4. Основные области применения и перспективы развития аналогоцифровых методов моделирования ИС........................................................ 118 Выводы ............................................................................................................ 119 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................. 120 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................................................... 122
ВВЕДЕНИЕ Схемотехническое проектирование является одним из важнейших и наиболее трудоемких этапов автоматизации проектирования интегральных схем (ИС). Системы автоматизированного схемотехнического проектирования (САСПР) ИС начали разрабатываться около 50 лет назад и в настоящее время широко используются во всех экономически развитых странах [1,2]. В основе существующих САСПР лежит использование численных методов моделирования ИС и реализация их с помощью универсальных цифровых вычислительных машин (ЦВМ). Такие системы автоматизированного проектирования обладают высокой производительностью, универсальностью и большой степенью автоматизации обработки входных и выходных данных. Вместе с этим численные методы моделирования ИС обладают существенными недостатками: во-первых, низкая достоверность моделирования ИС, несмотря на высокую точность выполнения арифметических операций с помощью ЦВМ, обусловленная низкой точностью используемых математических моделей нелинейных элементов [3]; во-вторых, несмотря на существующую возможность увеличения достоверности моделирования за счет применения более точных, а следовательно, и более сложных моделей элементов, последнее, как правило, не используется ввиду резкого возрастания вычислительных затрат и не способности современных ЦВМ справится с поставленной задачей из-за ограниченного объема памяти и быстродействия. С ростом степени интеграции ИС это противоречие обостряется не только из-за увеличения размерности цепи, но и в связи с уменьшением геометрических размеров нелинейных элементов, для моделирования которых необходимо использовать более сложные математические модели. Ограниченное быстродействия универсальных ЦВМ становится особенно ощутимым при решении задач оптимизации и статического анализа проектируемых ИС; в-третьих, при проектировании интегральных схем, содержащих новые нелинейные элементы (которые имеют технологические, топологические или конструктивные особенности), или ИС, находящихся в новых условиях, например под влиянием не учитываемых раннее, внешних воздействий (высокие и низкие температуры; высокая влажность или давления; радиация, электромагнитные волны и т.п.), необходимо каждый раз разрабатывать соответствующие математические модели полупроводниковых приборов и идентифицировать их параметры. Наряду с численными методами, для решения некоторых задач проектирования ИС может успешно использоваться аналоговое моделирование, которое, в свою очередь, обладает значительным количеством недостатков: громоздкость аналоговых моделей, сложность
перестройки структуры модели цепи и т.п., поэтому применяется редко. Однако аналоговые методы моделирования ИС имеют важные достоинства: высокое быстродействие и более высокую достоверность имитации характеристик полупроводниковых приборов, особенно при использовании принципов самоаналогии, которые заключаются в применении нелинейных элементов для моделирования собственных характеристик [4,5]. Дальнейшее улучшение свойств аналоговых моделей отдельных элементов и реализации их в виде специализированных ИС [6] позволяют устранить некоторые перечисленные выше недостатки. В ряде областей науки и техники для решения сложных задач анализа широко используются методы гибридного аналого-цифрового моделирования [7,8], которые объединили в себе наиболее существенные достоинства аналоговых и численных методов моделирования, такие как высокое быстродействие и автоматизация обработки входной и выходной информации. Несмотря на высокие технические характеристики аналогоцифровых вычислительных систем (АЦВС), реализующих гибридные методы моделирования, они до настоящего времени не нашли применения в САСПР интегральных схем. Построение систем автоматизированного схемотехнического проектирования ИС на базе АЦВС с использованием аналоговых моделей нелинейных элементов или реальных полупроводниковых приборов в аналоговой части системы дает возможность успешно разрешить некоторые проблемы, присущие современным схемотехническим САПР: исключить этап разработки и идентификации математических моделей активных элементов и фрагментов ИС; достигнуть высокой достоверности моделирования при использовании реальных полупроводниковых приборов в аналоговой части АЦВС; повысить размерность проектируемых ИС для ЦВМ, обладающих заданными ресурсами, или снизить требования к объему памяти и быстродействию ЦВМ для анализа цепей определенной сложности за счет выполнения части операций ваналогом виде; представить возможность проектирования ИС с учетом влияния различных внешних воздействующих факторов (ВВФ) путем непосредственного воздействия на моделирующие приборы; учитывать технологии изготовления всей проектируемой ИС или отдельных ее элементов с помощью тестовых образцов, выполненных по новой технологии и используемых в аналоговой части АЦВС. Перечисленные достоинства аналого-цифровых методов моделирования позволяют создать высокоэффективные САСПР ИС на базе АЦВС. Целью данной работы является разработка методов и средств аналого- цифрового моделирования ИС для использования их в системах
автоматизированного светотехнического проектирования интегральных схем. На рис. В.1 показана область приложения полученных научных результатов в САПР ИС. Круг задач схемотехнического проектирования, решению которых посвящена данная работа, представлен на рис. В.2. Структурный Функционально логический Схемотехнический Компонентный Информационное обеспечение Техническое обеспечение Математическое обеспечение Общее Специальное Математическое обеспечение Общее Специальное Лингвистическое обеспечение Методическое и организационное обеспечение Уровни функционального проектирования ИС Составные части САПР Рис. В.1. Область приложения научных результатов работы в САПР ИС
Синтез структуры цепи и выбор параметров элементов Синтез структуры цепи и выбор параметров элементов Составление модели цепи Составление модели цепи Анализ Анализ Проверка работоспособности ИС Проверка работоспособности ИС От предыдущего уровня проектирования Изменение параметров элементов и/или структуры цепи Изменение параметров элементов и/или структуры цепи Формирование ТЗ на разработку элементов Нет Да Рис. В.2. Этапы схемотехнического проектирования ИС, реализуемые в работе В настоящей работе получены следующие основные результаты: 1.Разработаны методы аналого-цифрового моделирования ИС на этапе схемотехнического проектирования, включающие в себя цифро ориентированный, аналого-ориентированный и сбалансированный методы: 2.Разработан метод составления и решения совместных систем уравнения, описывающих исследуемую ИС, одна часть которой моделируется цифровыми методами, а другая представляется с помощью аналоговых электрических моделей или реальных полупроводниковых приборов;
3.Проведен анализ точности, сходимости и устойчивости используемых вычислительных процедур. 4.Разработаны аналого-цифровые модели (АЦМ) нелинейных элементов и функциональных узлов, основанные на использовании реальных полупроводниковых приборов и аналоговой части АЦВС, и способы идентификации параметров АЦМ. 5.Разработан способ накопления базы данных САСПР, заключающийся в создании и использовании библиотеки аналоговых моделей и реальных модулирующих полупроводниковых приборов. 6.Разработано техническое и алгоритмическое обеспечение САСПР ИС, включающие в себя способы построения АЦВС и аналого-цифровых моделей компонентов ИС, а также алгоритмы их работы при реализации вычислительных процедур. Научная новизна работы заключается в следующем: 1.Впервые предлагаются методы аналого-цифрового моделирования электрических характеристик ИС на этапе схемотехнического проектирования: цифро-ориентированный, аналого-ориентированный и сбалансированный. 2.Разработано математическое, техническое и программное обеспечения подсистемы схемотехнического проектирования, основанной на цифро-ориентированном методе моделирования и предназначенной для анализа статических, динамических и шумовых характеристик ИС. Предложены оригинальные решения при реализации технических средств системы проектирования. 3.Впервые разработаны методы построения аналого-цифровых моделей нелинейных элементов и функциональных узлов ИС, сформулирован способ заполнения базы данных САСПР ИС на основе цифроориентированной АЦВС. Предложены новые устройства, моделирующие характеристики полупроводниковых приборов. Практическая ценность работы заключается в том, что САСПР ИС, созданные на основе аналого-цифровых методов моделирования, позволяют сократить сроки проектирования, повысить достоверность моделирования, уменьшить требования к ресурсам ЦВМ, производить разработку ИС с учетом влияния различных ВВФ. На примере конкретной подсистемы проектирования показано, что использование цифроориентированного метода моделирования с применением реальных полупроводниковых приборов в аналоговой части обеспечивает повышение точности моделирования нелинейных элементов в 3-4 раза и в 2-3 раза сокращает время анализа ИС. Цифроориентированный метод позволяет учитывать влияние различных ВВФ, например криогенных температур на характеристики проектируемых ИС без изменения программных и технических средств.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ИС НА ЭТАПЕ СХЕМОТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗ МЕТОДОВ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАБОТЫ 1.1. САСПР ИС с использованием численных методов моделирования Аналого-цифровое моделирование основано на использовании комбинации цифровых и аналоговых методов, в частности, в нем могут быть использованы многие алгоритмы из цифровых методов и модели элементов ИС из аналоговых. Современные системы автоматизированного схематического проектирования ИС решают задачи анализа и параметрического синтеза (см. рис. В.2) разрабатываемых интегральных схем [9,10]. Решение этих проблем основано на использовании цифрового моделирования, под которым понимается создание математической модели исследуемого объекта и расчет характеристик модели численными методами с помощью универсальных ЦВМ. Вид математической модели цепи зависит от поставленной задачи анализа и выбора независимых переменных (координатного базиса), относительно которых составляется система уравнений, описывающая процессы в ИС и получаемая на основании ее эквивалентная схема. К настоящему времени создано уже пять поколений САСПР ИС, отличающихся друг от друга, методами составления и решения систем нелинейных алгебраических (СНАУ) и обыкновенных дифференциальных (или интегродифференциальных) уравнений (СОДУ) (или СИДУ) и имеющими различные функциональные возможности [1216, 23-25]. Пакеты прикладных программ (ППП) первого поколения,которые использовали метод простых итераций для решения СНАУ и явные формулы численного интегрирования при расчете СОДУ. Итерационная формула метода простых итераций имеет вид ) ( 1 r r x F x , (1.1) где x– вектор независимых переменных; F–нелинейный алгебраический оператор; r–номер итерации. Применение метода переменных состояния [17] в ППП первого поколения позволяет составить СОДУ в форме Коши ) , ( t x F x (1.2) и использовать явные формулы интегрирования, которые могут быть записаны в виде [18]: k i l j j n j i n i n x h x x 0 0 1 , (1.3)
Доступ онлайн
175 ₽
В корзину