一种实现模拟电路自动化设计的新方法.pdf
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1、第卷第期年月核电子学与探测技术 一种实现模拟电路自动化设计的新方法周明理韩旭栋,赵海军(北海职业学院电子信息工程系,北海;首都师范大学信息工程学院,北京;西华师范大学计算机学院,南充)摘要:针对模拟电路尺寸调整的自动化设计进行了研究,提出 了一种基于正项式模型的模拟电路设计新方法,该方法将模拟电路设计问题构建为一个凸优化问题;具体来说,对于一个具有多个规格指标的模拟电路,首先从物理模型和电气模型两方面分别建立具有正多项式的工艺过程相关级模型和电路块级模型,然后扩展到更高层次的层次模型系统级模型,从而完成电路的综合设计。以一个二级运算放大器和一个标准流水线模数变换器的设计实例表明,提出的方法相比
2、于一般的设计方法不仅可以更精确地建模真实的 电路行为,而且还可以在各种规格指标之间提供较好的权衡。关键词:混合模式集成电路;模拟电路设计;凸优化问题;规格指标;层次模型;分层切片树;全局权衡曲线中图分类号:文献标志码:文章编号:()在目前的混合模式集成电路中,尽管模拟电路只占总面积的一小部分,但它们的设计却是非常复杂的,因为必须满足各种规格指标,而且对工艺变化的敏感性也非常高。不像复杂的综合工具可用于数字电路,模拟综合工具实际上是不存在的,绝大多数模拟电路的设计仍然是由专业设计人员手工进行,。因此,模拟模块的开发时间与它们消耗的模具面积远远不成比例,模拟设计人员的严重短缺又加剧了这个问题。在模
3、拟电路的设计中,模拟电路尺寸的调整与电路的性能参数密切相关,通常根据电路的行为和从电路行为中获取的知识来调整设计收稿日期基金项目年度广西高校中青 年教师基础能力提升项目()。作者简介:周明理(),男,广西浦北人,副教授,研究方向为控制工程、电工电子技术。参数。常见的方法有利用专家知识设计一组规则并应用于调整过程,或者用一组方程构成的模型来捕获电路的行为,或者将电路的行为通过晶体管级的仿真获得,然后采用优化技术完成尺寸调整。研究表明,对于混合模式集成电路中的模拟电路如放大器、滤波器和各种振荡器等的尺寸优化,可以通过几何规划()来进行,即用描述电路行为的正多项式来构建。这种先进方法的优势在于:()
4、可把问题看成是凸 的,即存在可用的一个全局最优解;()这个最优解不存在起始点。文献和文献提出采用手工方法来得到优化问题的正项式。显然,这不但耗时,而且精度不高。文献 尽管基于正项式提出了可实现模型,但这种模型受到严格约束,从而限制了正项式函数的形式。文献和文献提出采用二次多项式来构建模型,但这种二次多项式明显存在局限性。文献对于的求解提出 了一种髙效的专用求解器,将线性规划中使用的最复杂的原始内点方法扩展到,从而得到一个效率接近当前内点线性规划求解器的算法。为了能够降低正定几何规划问题的难度,文献提出运用对偶理论把正定几何规划问题转化成等式约束和非负约束条件下的非线性规划问题,然后结合信赖域算
5、法和内点算法构造出一种求解正定式几何规划问题的新算法。该算法一方面减少了计算量,另一方面还可以降低求解几何规划的难度。本文针对模拟电路尺寸调整的自动化设计进行了研究,提出 了一种基于几何规划的模拟电路设计新方法。该方法将电路设计问题构建为一个凸优化问题,一旦找到这个凸优化公式,就能完成电路的综合设计;以一个二级运算放大器和一个标准流水线模数变换器()的设计实例表明,本文提出的方法相比于一般的设计方法不仅可以更精确地建模真实的 电路行为,而且还可以在各种规格指标之间提供较好的权衡。几何规划令为有个实的正变量的向量(,函数称为的正项式函数,如果它有形式见式():(,)()式中:;,。当时,称为单项
6、式函数。几何规划()是一个最优化问题,其形式见式():(),),()(),卜;,式中:乂为正项式函数,为单项式函数。通过改变变量和考虑所涉及功 能的要求,可以重新构建为一个凸优化问题。描述电路行为的几何规划正项式模型本文的目标是将电路设计问题作为几何规划来提出。为此,采用层次化和模块化的方式来描述正项式电路模型。即使形式是层次化的,但得到的几何规划仍以“平坦的”方式求解,即同时求解所有层次上的设计方程,这样求解几何规划的效率很髙。如果采用通用优化方法,平坦求解可能是不可行的,因为问题的规模太大(一个鲁棒的设计可能有成千上万个变量和数十万个约束条件)。工艺过程相关级模型有好多与工艺过程相关的器件
7、,如晶体管、电容器和电阻 等。本节提出如何建 模一个晶体管,这种方法也可以扩展到其他器件和其他工艺技术。一个晶体管可用一个可参数化的布局单元来实现,这个单元的尺寸构成问题设计变量(宽度见、长度和重复数量)。晶体管模型包含物理和电气特性,它们是设计变量和工艺相关参数的函数。物理模型可以建模多个物理参数,如单元的髙度和宽度、源漏面积和周长,以及单元内路径长度等,它们都可以用与兼容的形式进行建模。电气模型这里将获得的晶体管模型称作模型。()过驱动电压?:它是晶体管长度、晶体管宽度和晶体管漏极电流的单项式函数:式中:,氏,是与工艺过程相关的常数,可以通过简单的数据拟合技术得到。()跨导:它是、和的单项
8、 式函数:()式中:办,为 与工艺过程相关的常数。()输出电导心:它由议。,给出,其中,为、和的車项式,是一个常数,可以取两个不同的值,取决于所考虑的晶体管通常是使用大还是小工作。()端子与块体之间的电容:通常是、研、和的正项式。主要任务就是获得模型的 系数。第一步是为希望建模的参数生成数据。这些数据可以直接来自实验室测量值,也可以用电路仿真器如仿真现有的器件 模型(如),通过计算机生成得到;第二步是求解优化问题,找到模型的系数。可以采用一般的非线性优化包或特定算法,来求解这个问题;为了对深亚微米器件进行建模,可以采用更复杂和准确的模型,这些模型仍然与基于的设计相兼容。图所示为采用工艺的器件通
9、过本文方法获得的模型与用电路仿真器仿真获得的高 阶模型的线比较。可以看到,二者具有良好的一致性。丁图二级运算放大器示例?丨仿真模型木文方法的模,()龜因此,功率是设计变量的正项式,可以给它确定上界或最小化它。()开环直流()增益:它由每级的增益的乘积给出。为了获得正项式,采用它的倒数形式,故增益倒数由正项式给出式():(),图模型与建模的模型的比较电路块级模型本节将表明如何建模一个简单的二级运算放大器的一些电气性能指标。图所示为一个简单的二级运算放大器原理图。它有个设计变量:长度、宽度和每种晶体管的重复数量、电容值、电阻值和参考偏置电流。有超过个规格指标:增益、带 宽、功率、相位裕量、最大面积
10、和转换速率等。即使性能指标是设计变量的高度非线性函数,但结果表明,它们实际上是设计变量的正项式函数电气模型()静态功率:它由电源 和总消耗电流的乘积给出:()()式中:和是参考偏置电流的镜像电流,由单项式给出式():因此,可以最小化增益倒数(或最大化增益)或施加所需的最小增益。()输入参考噪声功率:等效输人参考噪声功率谱密度兒()(单位为)可表示为:)()式中:巧为晶体管鹎的输入参考噪声功率谱密度,它由热噪声和噪声之和给出式():()(),因此,()是每个频率设计参数的正项式函数,可以在某个频率(或几个频率)上施加一个最大输入参考噪声。通过对积分(得到另一个正项式),可以在任意频带内限制 总的
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