COMS電路的參數(shù)提取及模型建立

馮海濤，裴志強，劉寶娟

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

隨著器件的特征尺寸降到深亞微米級，器件的物理特性和電學特性發(fā)生了很大的變化。由此導致的時序不收斂是深亞微米設(shè)計中最常見的問題，因此一般會對設(shè)計進行靜態(tài)時序分析。進行靜態(tài)時序分析需要用到包括設(shè)計中所有單元時序信息的時序工藝庫，但是，一般晶圓工廠提供的時序工藝庫只包括了基本單元的時序信息，對于全定制電路來說也不適用。這里就詳細闡述一下使用synopsys的各種工具進行寄生參數(shù)的提取以及時序模型的建立方法。

2 時序模型建立流程

2.1 時序模型類型選擇

現(xiàn)在使用的時序模型有K－factor模型和查找表模型兩種。查找表模型相對于K－factor較為常用，因其不以線性方程的形式給出，具有非線性，具有較高的準確性。因此，為了進行更準確的靜態(tài)時序分析使用查找表模型。

2.2 查找表時序模型建立流程

建立時序模型的關(guān)鍵主要有下面幾個步驟:

·建立版圖單元和邏輯單元的對應關(guān)系;

·提取線網(wǎng)的寄生參數(shù)文件;

·建立單元版圖的時序模型。

圖1給出了實現(xiàn)上面幾個步驟比較詳細的流程。

為了進行詳細的時序分析，確保設(shè)計的芯片在各種條件下可以正常工作，需要對每個單元在最好、最壞和典型情況下，以不同的輸出負載，不同的輸入驅(qū)動能力和輸入組合做各單元的SPICE模擬，獲得時序參數(shù)。針對一般0.18μm的工藝庫而言，就是要求出在 FF(最快，電壓1.98V，溫度0℃)、TT(典型，電壓 1.8V，溫度 25℃)和 SS(最慢，電壓1.62V，溫度125℃)三種情況下對應不同的輸出負載，不同的輸入信號渡越時間，給出路徑敏化信號后測量得出的延時數(shù)據(jù)。

圖1 單元時序建模流程

2.3 具體實例

下面以一個比較簡單的傳輸管PT為例說明查找表模型建立的流程。IN是數(shù)據(jù)輸入端;C是控制端，高電平有效;OUT是數(shù)據(jù)輸出端。

2.3.1 版圖前期準備及網(wǎng)表準備

在進入時序建模流程以前，必須對版圖進行設(shè)計規(guī)則檢查(DRC)，電器規(guī)則檢查(ERC)和版圖原理圖對照(LVS)三項驗證工作。三項檢查順利通過，確定了版圖和原理圖無誤以后，從版圖導出gds網(wǎng)表 pt.gds，從原理圖導出 cdl網(wǎng)表 pt.sp，為下面的完全LVS做準備。

2.3.2 完全 LVS檢查

為了能夠?qū)鎴D中提取的寄生參數(shù)正確地反標到邏輯網(wǎng)表，版圖和邏輯圖必須通過LVS驗證。LVS的實質(zhì)是將邏輯網(wǎng)表(cdl)與版圖上提取的網(wǎng)表(gds)相比較，通過LVS說明版圖的單元、線網(wǎng)和邏輯圖中的單元、線網(wǎng)能夠進行準確的對應。一般LVS驗證只是說明頂層單元邏輯與版圖的功能是否一致，而LVS驗證更進一步要求邏輯等效端口不能交換，且邏輯與物理的基本單元必須完成端口匹配。從傳輸管的版圖和邏輯圖可以發(fā)現(xiàn)，版圖上應該標注有完整的端口文本信息，而且版圖的端口應該和邏輯圖一致。由于這個單元沒有層次化設(shè)計，只需要運行一次晶體管級LVS就可以了。如果是層次化設(shè)計，需要分別運行單元級和黑盒級兩次LVS。利用Synopsy Hercules軟件，成功執(zhí)行以后會在相應工作目錄生成寄生參數(shù)提取程序STAR－RC運行所需要的XTR視圖目錄。

2.3.3 寄生參數(shù)提取

經(jīng)過LVS之后，可以得到邏輯電路與物理版圖之間的對應關(guān)系(XTR庫)，根據(jù)這一關(guān)系再結(jié)合廠家的工藝文件可以提取版圖中互連線的寄生參數(shù)，這些參數(shù)包括連線自身的電阻和電容，以及連線之間的耦合電容。利用的是Synopsys的STAR－RC軟件提取寄生參數(shù)。STAR－RC的調(diào)用命令是:＞StarXtractgui。提取時需要把 XREF設(shè)置為“YES”，CELL_TYPE設(shè)置為SCHEMATIC，這樣提取出來的層次化結(jié)構(gòu)和單元實例名都是和原理圖一致的，否則就會根據(jù)版圖對其命名。根據(jù)原理圖命名對后面的檢查和計算端口電容都比較有利。執(zhí)行成功后可以得到帶寄生參數(shù)的HSPICE網(wǎng)表文件Test.spf。

2.3.4 建立單元版圖的時序模型

得到帶寄生參數(shù)的HSPICE網(wǎng)表Test.spf以后，可以利用該網(wǎng)表，為該單元的時序路徑建立測量文件，從而建立其時序信息。每個文件根據(jù)路徑敏化的要求和查找表的格式，加上不同的激勵，在合理的范圍以內(nèi)加上不同的負載，不同的時間索引點，在典型情況下測量。

由于傳輸管電路比較簡單，它只有一條時序路徑，只需針對數(shù)據(jù)輸入端是上升還是下降這兩種情況進行處理。使用Synopsy的HSPICE軟件進行瞬態(tài)分析。如圖2所示。

圖2 HSPICE仿真

通過HSPICE仿真之后，可以得到mt文件，如表1 所示。文件中有 delayr，transr，delayf，transf四個測量值。

表1 mt文件的測量結(jié)果

有時候個別測量數(shù)據(jù)會出現(xiàn)負數(shù)的情況，這是因為輸出所加的負載很小，而單元的驅(qū)動能力很強所致，屬于正常情況。

最后把測量到的數(shù)據(jù)，按照查找表模型的要求依次填入，便可以得到對應的時序模型。

3 結(jié)束語

隨著數(shù)字設(shè)計復雜度的增加，靜態(tài)時序分析是非常必要的。根據(jù)比較準確的時序模型進行靜態(tài)時序分析，不僅可以快速完成對設(shè)計的時序驗證，而且根據(jù)時序分析結(jié)果還可以指導和改進設(shè)計。

［1］秦世才，等.模擬集成電子學［M］.天津，天津科學技術(shù)出版社，1996.

［2］梁家昌，等.線性電路瞬態(tài)分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1987.