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技術(shù)專題
集成電路設(shè)計(jì)和布局中需要的電路仿真
每個(gè)集成電路都包含數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管和其他基本電路元件，所有這些元件都需要仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化以提供所需的電氣性能。在典型的集成電路中，設(shè)備中的每個(gè)模塊都需要由較小的電路以及最終嵌入硅晶片中的單個(gè)組件精心構(gòu)建。在將電路塊在超大規(guī)模集成（VLSI）布局軟件中組合在一起之前，需要仔細(xì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的每個(gè)部分。
仿真工具可能是設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要組成部分，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以在將電路塊集成到物理布局中之前嘗試不同的組件和拓?fù)?。?dāng)需要電路仿真作為VLSI布局的一部分時(shí)，正確的電路仿真工具集將有助于使用參數(shù)掃描進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。這是VLSI設(shè)計(jì)和布局中電路仿真的內(nèi)容。
VLSI需要哪些電路仿真？
為集成電路構(gòu)建電路塊時(shí)，每個(gè)電路將需要自己的一組仿真。系統(tǒng)中從電氣行為到噪聲和熱行為的所有事物都應(yīng)進(jìn)行仿真，以確?？梢赃m當(dāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。大型VLSI布局的模擬仿真非常耗時(shí)，因此在連接到大型系統(tǒng)之前先對(duì)單個(gè)電路模塊進(jìn)行仿真。
在VLSI布局中，每個(gè)基本電路模塊通過(guò)在每個(gè)模塊之間級(jí)聯(lián)輸入和輸出而組合在一起，成為更大的模塊。在下面顯示的1位累加器電路中，一個(gè)累加器塊的輸出將連接到另一個(gè)累加器塊的輸入。然后，總線輸出將在集成電路中的一條線上連接在一起，并路由到另一個(gè)集成電路塊中。
Virtuoso中顯示的VLSI布局的累加器電路。
在這個(gè)簡(jiǎn)單的示例和其他VLSI設(shè)計(jì)中，應(yīng)執(zhí)行的重要電路仿真包括：
為給定的一組輸入生成的輸出信號(hào)（在上面的示例中，底部輸出組和總線輸出均產(chǎn)生）
組成較大電路的每個(gè)基于晶體管的電路的電氣行為
電路塊消耗的總電阻功率
上面列出的每個(gè)領(lǐng)域都非常廣泛，但是作為VLSI設(shè)計(jì)的一部分，可以使用一些簡(jiǎn)單的仿真技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。在每個(gè)這些領(lǐng)域中，使用基于SPICE的仿真器創(chuàng)建電路仿真都是最容易的。數(shù)十年來(lái)，該仿真工具已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括集成電路設(shè)計(jì)。下面總結(jié)了一些可以在基于SPICE的模擬器中執(zhí)行的重要模擬任務(wù)。
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電氣行為 |
模擬類型 |
筆記 |
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數(shù)字電路的開關(guān)行為 |
瞬態(tài)分析 |
注意切換期間的阻尼不足振蕩。 |
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電路塊之間的信號(hào)傳輸 |
瞬態(tài)分析和掃頻 |
目的是檢查輸入/輸出阻抗，作為微波電路匹配的一部分。 |
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晶體管線性范圍 |
直流負(fù)載線與基極/柵極電流的關(guān)系 |
確定發(fā)生飽和的基極/柵極電流極限。 |
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共鳴和帶寬 |
傳遞函數(shù)（鮑德圖） |
任何諧振和電路的帶寬都可以在波特圖中直接看到。 |
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能量消耗 |
瞬態(tài)分析 |
動(dòng)態(tài)功耗可以通過(guò)對(duì)數(shù)字或?qū)拵M信號(hào)進(jìn)行瞬態(tài)分析來(lái)確定。 |
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電路穩(wěn)定性 |
零極點(diǎn)分析 |
這快速總結(jié)了給定輸入信號(hào)的電性能是否穩(wěn)定（例如，正反饋與負(fù)反饋）。 |
一旦執(zhí)行了這些仿真任務(wù)并確定了電路重要部分的電氣行為，就可以開始級(jí)聯(lián)電路塊，以檢查信號(hào)如何在整個(gè)集成電路中傳播。這是檢查信號(hào)如何通過(guò)由多個(gè)互連電路塊組成的真實(shí)集成電路傳輸?shù)牡谝徊健?span>VLSI布局中電路仿真的另一個(gè)重要方面是電路優(yōu)化，其中電路仿真可用于確定每個(gè)電路模塊的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。
電路優(yōu)化和VLSI布局
使用電路仿真的重要部分是設(shè)計(jì)優(yōu)化。這是電子設(shè)計(jì)的廣闊領(lǐng)域，針對(duì)PCB和IC中的特定結(jié)構(gòu)（例如，傳輸線，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和去耦電容器的選擇）已經(jīng)開發(fā)出許多獨(dú)特的優(yōu)化方法。電路優(yōu)化的目標(biāo)是平衡不同的電氣目標(biāo)，例如最大化的功率效率，最小的阻抗偏差或最大的信號(hào)帶寬。
這些設(shè)計(jì)目標(biāo)經(jīng)常相互競(jìng)爭(zhēng)，并且在沒有正確的電路仿真工具集的情況下，手動(dòng)仿真電路中的每個(gè)參數(shù)值非常耗時(shí)。