CC BY
22УДК 621.38.049.77:004.94
DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-6-547-553
Простой способ уточнения параметров SPICE-моделей ИС транзисторного уровня в температурном диапазоне
С.В. Шумарин, А.М. Богачев
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир, Россия
bogachev-al2012@yandex.ru
На сегодняшний день разработчикам электроники доступны как макромодели, так и модели транзисторного уровня полупроводниковых ИС. Однако модели, учитывающие влияние дестабилизирующих воздействий, отсутствуют в открытом доступе, поэтому задачи разработки и уточнения моделей остаются актуальными. В работе рассмотрено существование корреляционной взаимосвязи между всеми параметрами моделей ИС транзисторного уровня и предложен способ уточнения этих параметров. Проведен опыт уточнения параметров модели ИС 1564ЛЕ1 ЭП. Для упрощения задачи уточнения все параметры изменены на одинаковое относительное отклонение. Для проверки внесенного предположения проведен натурный эксперимент: измерена частота сигнала кольцевого генератора на основе 1564ЛЕ1 ЭП в температурном диапазоне. Выполнено моделирование кольцевого генератора, проведено сравнение зависимостей частоты автоколебаний от температуры, полученных в результате моделирования и эксперимента до и после уточнения параметров модели. Сопоставлены формы сигнала кольцевого генератора для исходной и уточненной моделей. Проанализированы результаты полученных зависимостей частоты автогенерации, формы сигнала до и после уточнения модели. Результаты исследования свидетельствуют о возможности использования внесенного предположения для уточнения параметров модели ИС транзисторного уровня.
Ключевые слова: SPICE-модель; моделирование; ИС; кольцевой генератор
Для цитирования: Шумарин С.В., Богачев А.М. Простой способ уточнения параметров SPICE-моделей ИС транзисторного уровня в температурном диапазоне // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 6. С. 547-553. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-6-547-553
© С.В. Шумарин, А.М. Богачев, 2021
A Simple Method of Transistor-Level SPICE-Models Parameters Fitting of Integrated Circuits in a Temperature Range
S.V. Shumarin, A.M. Bogachev
Vladimir State University, Vladimir, Russia bogachev-al2012@yandex.ru
Abstract. Today, both macromodels and transistor-level models of semiconductor integrated circuits are available. However, most models don't take i n-to account the influence of destabilizing effects. Thus, the tasks of developing new models and fitting the parameters of existing ones are very relevant. In this work, the authors introduced an assumption about the existence of a correlation relationship between all the parameters of integrated circuits' transistor-level models and offered a way to fit these parameters. The experience of fitting the model's parameters of the integrated circuit 1564LE1 EP was presented. To simplify this task, all parameters were altered by the same relative deviation. To check the assumption made, the authors carried out full-scale experiment, in which the frequency of the self-oscillation of the ring oscillator based on the 1564LE1 EP was measured in the temperature range. The simulation of the ring oscillator has been made using a SPICE-simulator. The dependences of the self-oscillation frequency on temperature, obtained as a result of simulation and as a result of experiment, were compared before and after fitting the parameters of the integrated circuit model. Also, the waveforms of the ring oscillator based on the original and fitted model were compared. The analysis of the obtained dependences of the frequency of oscillations, the signal shape before and after the model fitting, the link to the text of the fitted model has been provided. The results obtained show the possibility of using the introduced assumption to fit the parameters of the transistor-level integrated circuit model.
Keywords: SPICE-model; simulation; integrated circuit; ring oscillator
For citation: Shumarin S.V., Bogachev A.M. A simple method of transistor-level SPICE-models parameters fitting of integrated circuits in a temperature range. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 6, pp. 547-553. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-6-547-553
Введение. Разработка современных электронных схем с использованием SPICE-моделирования позволяет значительно экономить временные и материальные ресурсы по сравнению с традиционными методами. Многие зарубежные производители полупроводников предоставляют SPICE-модели своих изделий с целью увеличения спроса на них. Отечественные производители в этом вопросе несколько отстают от западных.
Следует отметить, что идентифицированные модели, учитывающие влияние дестабилизирующих воздействий (температурных, радиационных и механических), отсутствуют в открытом доступе. Однако потребность в таких моделях постоянно растет вследствие необходимости обеспечения конкурентоспособности при разработке электронной аппаратуры специальной техники. В России в условиях импортозамещения
этот процесс значительно ускорился. Соответственно, актуальна разработка новых или уточнение существующих SPICE-моделей ИС, особенно российского производства, с учетом дестабилизирующих воздействий. При этом подгонку модели можно проводить как по некоторой партии изделий, так и при необходимости для отдельного образца. Во втором случае точность моделирования выше, но и больше приведенные затраты на разработку, поэтому достаточно уточнить модель по выборочному среднему [1, 2].
Исследование взаимосвязи между параметрами модели. Создание SPICE-моделей ИС требует от производителей полупроводников существенного вложения средств. Одним из способов удешевления и упрощения этого процесса является экспорт моделей транзисторного уровня напрямую из САПР ИС [1, 2]. Преимущество моделей, использующих SPICE-модели MOSFET Level 3, заключается в их полноте и точности: моделирование схем подробно описывает форму сигналов по сравнению с обобщенными макромоделями [3]. Подобную продукцию можно встретить на российском рынке полупроводников.
Рассматриваемые SPICE-модели ИС состоят из множества соединенных транзисторов, каждый из которых описывается определенными параметрами. Некоторые из этих параметров содержат информацию о технологическом процессе производства и не могут быть получены без статистического анализа производственного процесса. Также имеется статистический разброс параметров каждого транзистора в пределах кристалла, который может быть обусловлен особенностями топологии и топографии, например разбросом ширины металлических проводников или эффективной длины каналов транзисторов [4]. Все эти факторы делают затруднительной и нецелесообразной подгонку параметров каждого отдельного транзистора для уточнения параметров модели ИС [5].
Все транзисторы кристалла произведены в едином технологическом процессе. Следовательно, можно предположить, что среди множества их параметров есть группа коррелированных, оказывающих наибольшее влияние на итоговые характеристики модели ИС, а влияние остальных параметров несущественно [6, 7]. Поэтому гипотетически для уточнения параметров SPICE-модели ИС транзисторного уровня допустимо изменять все ее параметры одновременно на одинаковое относительное отклонение.
Численные ограничения. Для практического использования введенного предположения необходимо ввести численные ограничения для варьирования параметров SPICE-моделей. Исходя из физического смысла описания системы уровней SPICE [3], единого максимального отклонения, на которое можно изменять все параметры SPICE-моделей MOSFET Level 3, не существует и не может существовать. Определение возможных диапазонов для каждого отдельного параметра - задача, требующая глубокого статистического анализа производства конкретных ИС. Но априори при варьировании всех параметров SPICE-моделей ИС в пределах 30 % от своего номинального значения нельзя превышать статистический разброс полупроводникового производства [4, 6]. Поэтому в рамках простого способа подгонки SPICE-моделей ИС транзисторного уровня предлагается ввести единое максимальное отклонение всех параметров ±30 % от своего номинального значения.
Уточнение параметров модели и анализ результатов. Для проверки внесенного предположения проведено уточнение SPICE-модели цифровой ИС по быстродействию ее логических элементов для учета температурных воздействий. Цифровая ИС 1564ЛЕ1 ЭП (производится на заводе «Экситон», г. Павловский Посад) представляет собой четыре логических элемента 2ИЛИ-НЕ [8]. Ее SPICE-модель, размещенная на официальном сайте производителя, содержит 301 строку с 1541 параметром. Данная модель - транзис-
торного уровня, макромодель отсутствует [5, 9]. Для подгонки параметров модели этой ИС для учета температурных воздействий собран кольцевой генератор [10], электрическая схема которого приведена на рис.1. В нем используются три логических элемента 2ИЛИ-НЕ в качестве «кольца», четвертый элемент применяется в качестве буфера вывода для подключения нагрузки -осциллографа. Параметры SPICE-модели уточняли на основе сравнения результатов компьютерного моделирования с результатами физического эксперимента. Частоту автоколебаний измеряли на выходе схемы.
Эксперимент проведен в диапазоне температур от -40 до +60 °С с использованием макета с ИС 1564ЛЕ1 ЭП, термокамеры Termotron S-1.2B-3200, источника питания «Акип-1119 18В/5А» и осциллографа «Акип-4115/7А». Объем испытуемой партии 3 шт. Схема эксперимента показана на рис.2. Результаты физического эксперимента и компьютерного моделирования показаны на рис.3.
Рис.2. Схема эксперимента определения частоты автоколебаний кольцевого генератора на базе ИС 1564ЛЕ1 ЭП в температурном диапазоне Fig.2. Scheme of the experiment for determining the frequency of self-oscillations of the ring oscillator based on the IC 1564LE1 EP in the temperature range
Как видно из рис.3, расхождение с экспериментом результатов SPICE-симулятора с моделью производителя составляет 8-23 % в зависимости от температуры эксплуатации. Уменьшение значений параметров модели на 14 % способом уточнения позволило снизить расхождение: не более 10 % в диапазоне от -40 до +60 °С и не более 5 % в диапазоне от -25 до +40 °С. Способ уточнения основан на обработке текстового описания модели собственным парсером и оптимизации ее параметров методом градиентного спуска. В качестве критерия оптимизации выбран минимум относительного отклонения частоты автоколебаний от результатов эксперимента во всем диапазоне температур.
Алгоритм уточнения модели. Уточнение параметров модели выполняли по следующему алгоритму:
1. Анализ файла модели, выявление в нем параметров и изменение их на заданную величину (не более 30 % без учета знака) с использованием парсера.
Рис.1. Принципиальная схема кольцевого генератора с буфером на базе ИС 1564ЛЕ1 ЭП Fig. 1. Circuit diagram of the ring oscillator with a buffer based on IC 1564LE1 EP
f, МГц
3
—< —,
— T* «
' "4 __, __ __
— __ ■—•
50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Т,° С
Рис.3. Частота автоколебаний кольцевого генератора в зависимости от температуры эксплуатации: 1 - натурный эксперимент; 2 - моделирование
исходной SPICE-модели; 3 - моделирование уточненной SPICE-модели Fig.3. The frequency of self-oscillations of the ring oscillator depending on the operating temperature: 1 - experimental data; 2 - modeling of the original SPICE-model; 3 - modeling of the fitted SPICE-model
2. Моделирование в SPICE-симуляторе.
3. Вычисление относительных отклонений значения частоты в диапазоне температур.
4. Выбор нового значения относительного изменения параметров в соответствии с методом градиентного спуска.
5. Повтор итераций до тех пор, пока не будут достигнуты удовлетворительные значения максимального и минимального относительного отклонений значений частоты кольцевого генератора, полученных в результате моделирования [11].
После уточнения параметров модели проведена оценка искажения выходного сигнала. Результаты моделирования рассматриваемой схемы с исходной и уточненной моделями приведены на рис.4.
5,5-i 5,0 4,54,03,5-
е
„' 3,0
5
5 2,5 о- —
03
ж 1,51,00,5 '
О-' -0,5__
0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120
Время, не Время, не
а б
Рис.4. Осциллограммы выходного сигнала кольцевого генератора при температуре 25 °С: а - исходная модель; б - уточненная модель Fig.4. Waveform of the output signal of the ring oscillator at temperature 25 °C: a - original model;
b - fitted model
Как видно из рис.3 и 4, предлагаемый способ подгонки параметров SPICE-модели повысил ее адекватность во всем температурном диапазоне, в частности позволил скорректировать быстродействие логических элементов цифровой ИС без искажения формы выходного сигнала. Уточненная модель ИС 1564ЛЕ1 ЭП доступна по следующей ссылке: https://disk.yandex.m/d/j5ge66WqlB5zow?w=1. Она отличается от исходной уменьшением значений всех (1541) параметров на 14 %.
Заключение. Полученные результаты согласуются с предположением о существовании корреляционной связи между всеми параметрами модели. Рассмотренный способ одновременного изменения параметров можно рекомендовать в качестве простого и быстрого средства уточнения SPICE-моделей ИС транзисторного уровня для учета дестабилизирующих воздействий и компенсации технологического разброса при производстве.
Литература
1. Kumar A., Indragandhi V., Maheswari U.Y. Software tools for the simulation of electrical systems: Theory and practice. 1st ed. Cambridge, MA: Academic Press, 2020. 422 p.
2. McConaghy T., Breen K., Dyck J., Gupta A. Variation-aware design of custom integrated circuits: A hands-on field guide. New York, NY: Springer New York, 2013. XVI, 188 p. DOI: https://doi.org/ 10.1007/978-1-4614-2269-3
3. Patel T. Comparison of Level 1, 2 and 3 MOSFET's // ResearchGate. 2014. DOI: http://dx.doi.org/ 10.13140/RG.2.1.1616.3442
4. Денисенко В. Моделирование разброса параметров транзисторов в КМОП СБИС. Ч. 1 // Компоненты и технологии. 2003. № 8 (34). С. 40-45.
5. Fitzpatrick D. Analog design and simulation using OrCAD capture and PSpice. 2nd ed. London: Newnes, 2018. 452 p. DOI: https://doi.org/10.1016/C2017-0-01791-3
6. Денисенко В. Моделирование разброса параметров транзисторов в КМОП СБИС. Ч. 2 // Компоненты и технологии. 2003. № 9 (35). С. 32-39.
7. FinFET modeling for IC simulation and design / eds. Y.S. Chauhan, D.D. Lu, S. Vanugopalan et al. 1st ed. Cambridge, MA: Academic Press, 2015. 304 p. DOI: https://doi.org/10.1016/C2013-0-06812-0
8. Технические характеристики интегральной схемы 1564ЛЕ1 // ОАО «ОКБ «Экситон»: [Электронный ресурс]. Изм.: 11.04.2016. URL: https://okbexiton.ru/pdf/mc1564le1.pdf (дата обращения: 28.04.2021)
9. Squire J., Brown J. Programming for electrical engineers. 1st ed. Cambridge, MA: Academic Press, 2020. 288 p.
10. А.с. № 149396. Способ определения устойчивости интегральных схем к воздействию импульса ионизирующего излучения / В.Н. Устюжанинов, И.М. Чуриков, В.М. Кулаков и др.; приоритет 31.01.1980.
11. Arora R.K. Optimization: Algorithms and applications. London: Chapman and Hall/CRC, 2015. 466 p.
Поступила в редакцию 26.07.2021 г.; после доработки 26.07.2021 г.; принята к публикации 11.10.2021 г.
Шумарин Сергей Викторович - кандидат технических наук, доцент кафедры биомедицинских и электронных средств и технологий Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Россия, 600014, г. Владимир, пр. Строителей, 3/7), sergey.shumarin@gmail.com
Богачев Алексей Михайлович - аспирант кафедры биомедицинских и электронных средств и технологий Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Россия, 600014, г. Владимир, пр. Строителей, 3/7), bogachev-al2012@yandex.ru
References
1. Kumar A., Indragandhi V., Maheswari U.Y. Software tools for the simulation of electrical systems: Theory and practice. 1st ed. Cambridge, MA, Academic Press, 2020. 422 p.
2. McConaghy T., Breen K., Dyck J., Gupta A. Variation-aware design of custom integrated circuits: A hands-on field guide. New York, NY, Springer New York, 2013. xvi, 188 p. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4614-2269-3
3. Patel T. Comparison of Level 1, 2 and 3 MOSFET's. ResearchGate. 2014. DOI: http://dx.doi.org/ 10.13140/RG.2.1.1616.3442
4. Denisenko V. Simulation of transistor parameters scatter in CMOS VLSI. Part 1. Komponenty i tekhnologii = Components and Technologies, 2003, no. 8 (34), pp. 40-45. (In Russian).
5. Fitzpatrick D. Analog design and simulation using OrCAD capture and PSpice. 2nd ed. London, Newnes, 2018. 452 p. DOI: https://doi.org/10.1016/C2017-0-01791-3
6. Denisenko V. Simulation of transistor parameters scatter in CMOS VLSI. Part 2. Komponenty i tekhnologii = Components and Technologies, 2003, no. 9 (35), pp. 32-39. (In Russian).
7. Chauhan Y.S., Lu D.D., Vanugopalan S., Khandelwal S., Duarte J.P., Paydavosi N., Niknejad A., Hu Ch., eds. FinFET modeling for IC simulation and design. 1st ed. Cambridge, MA, Academic Press, 2015. 304 p. DOI: https://doi.org/10.1016/C2013-0-06812-0
8. Technical characteristics of the integrated circuit 1564LE1. JSC "OKB "Exiton". Available at: https://okbexiton.ru/pdf/mc1564le1.pdf (accessed: 28.04.2021). (In Russian).
9. Squire J., Brown J. Programming for electrical engineers. 1st ed. Cambridge, MA, Academic Press, 2020. 288 p.
10. Ustyuzhaninov V.N., Churikov I.M., Kulakov V.M., Malinin V.G., Rusakov V.A. Method of determining the integrated circuits stability to the effects of an ionizing radiation pulse, USSR inventor's certificate No. 149396. Priority date 31.01.1980. (In Russian).
11. Arora R.K. Optimization: Algorithms and applications. London, Chapman and Hall/CRC, 2015. 466 p.
Received 26.07.2021; Revised 26.07.2021; Accepted 11.10.2021. Information about the authors:
Sergei V. Shumarin - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Biomedical and Electronic Systems and Technologies Department, Vladimir State University (Russia, 600014, Vladimir, Stroiteley ave., 3/7), sergey.shumarin@gmail.com
Aleksei M. Bogachev - PhD student of the Biomedical and Electronic Systems and Technologies Department, Vladimir State University (Russia, 600014, Vladimir, Stroiteley ave., 3/7), bogachev-al2012@yandex.ru
Уважаемые авторы!
С правилами оформления и опубликования научных статей можно ознакомиться на нашем сайте: http://ivuz-e.ru
