Σχεδίαση Συστημάτων VLSI Νίκος Λαδιάς, Χρήστος Τριφηνόπουλος Δεκέμβριος 2021 Σχεδιαστική εργασία Εικόνα 1: Ζητούμενο κύκλωμα Περιεχόμενα 1 Περιγραφή λειτουργίας του κυκλώματος 2 2 Προσομοίωση-Επαλήθευση σωστής λειτουργίας του κυκλώματος 5 2.1 Υλοποίηση schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2 Προσομοίωση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1 2.3 2.4 Κατάσταση μηδενικού ρεύματος . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Σταθερή κατάσταση . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Φυσικό σχέδιο - Layout 1 6 8 9 Περιγραφή λειτουργίας του κυκλώματος Για το απλό καθρέφτη ρεύματος με BJT του σχήματος 2α, όπου η πηγή ρεύματος εισόδου έχει αντικατασταθεί από μια αντίσταση. Στο σχήμα 2β φαίνεται ο αντίστοιχος καθρέφτης με MOS τρανζίστορ. Αποδεικνύεται ότι το ρεύμα εξόδου (αγνοώντας τις επιδράσεις του πεπερασμένου βF και VA ) είναι: Iout ≈ IIN = VCC − VBE(on) R (a) (b) Εικόνα 2: Απλός καθρέφτης των δύο τρανζίστορ όπου το ρεύμα εισόδου ρυθμίζεται απο την τάση τρφοδοσίας και μια αντίσταση χρησιμοποιώντας (α)διπολικά και (b)MOS τρανζίστορ Αν VCC ≫ VBE(on) , αυτό το κύκλωμα έχει το μειονέκτημα ότι το ρεύμα εξόδου είναι ανάλογο της τάσης τροφοδοσίας. Μάλιστα αν κανείς χρησιμοποιήσει τον παράγοντα ευαισθησίας S, του συγκεκριμένου κυκλώματος , μπορεί να δει εύκολα για την περίπτωση που αναφέρεται , πως το ρεύμα εξόδου εξαρτάται έντονα απο την τάση τροφοδοσίας. Ως συμπέρασμα, αυτή η τοπολογία δεν θα έπρεπε 2 να χρησιμοποιείται όταν δεν είναι επιθυμητή η εξάρτηση του κυκλώματος απο την τροφοδοσία. Η ευαισθησία απο την τροφοδοσία μπορεί να μειωθεί σημαντικά με τη λεγόμενη τεχνική bootstrap bias, που αναφέρεται επίσης ως self biasing. Αντί να αναπτύσσεται το ρεύμα εισόδου με τη σύνδεση μιας αντίστασης στην παροχή, το ρεύμα εισόδου εξαρτάται άμεσα από το ρεύμα εξόδου της ίδιας της πηγής ρεύματος. Υποθέτοντας ότι ο ανατροφοδοτούμενος βρόχος που σχηματίζεται από αυτή τη σύνδεση έχει ένα σταθερό σημείο λειτουργίας, τα ρεύματα που ρέουν στο κύκλωμα είναι πολύ λιγότερο ευαίσθητα στις τάσεις της τροφοδοσίας απ’ ό,τι στην περίπτωση της αντίστασης. To σενάριο αυτό, απεικονίζεται σε μορφή μπλοκ διαγράμματος στην εικόνα 3α. Η σύνδεση μιας πηγής ρεύματος και ενός καθρέφτη ρεύματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 3α, σχηματίζει έναν βρόχο θετικής ανάδρασης και το κέρδος γύρω από τον βρόχο είναι το κέρδος της πηγής ρεύματος. (a) Διάγραμμα μπλοκ μιας self-biased refer(b) Καθορισμός των σημείων λειτουργίας ence Εικόνα 3 Από τη σκοπιά της πηγής ρεύματος , το ρεύμα εξόδου είναι σχεδόν ανεξάρτητο από το ρεύμα εισόδου για ένα ευρύ φάσμα ρευμάτων εισόδου , όπως φαίνεται και στην εικόνα 3b. Από τη σκοπιά του καθρέφτη ρεύματος, υποθέτοντας ότι το κέρδος του είναι μονάδα, το ρεύμα εισόδου ορίζεται ίσο με το ρεύμα εξόδου. Το σημείο λειτουργίας του κυκλώματος πρέπει να ικανοποιεί και τους δύο περιορισμούς και ως εκ τούτου βρίσκεται στο σημείο τομής των δύο χαρακτηριστικών. Το 3 σημείο Α είναι το επιθυμητό σημείο λειτουργίας, ενώ το Β είναι το ανεπιθύμητο επειδή Iout = Iin = 0 . Στην πράξη, ωστόσο, το σημείο Β είναι συχνά ένα σταθερό σημείο λειτουργίας, επειδή τα ρεύματα στα τρανζίστορ είναι πολύ μικρά, συχνά στην περιοχή των picoampere. Σε τόσο χαμηλά επίπεδα ρεύματος, τα ρεύματα διαρροής και άλλα φαινόμενα μειώνουν το κέρδος ρεύματος των τρανζίστορ MOS, με αποτέλεσμα το κέρδος γύρω από το βρόχο να είναι συνήθως μικρότερο από τη μονάδα. ΄Ετσι , αν δεν ληφθούν προφυλάξεις, το κύκλωμα μπορεί να λειτουργήσει σε κατάσταση μηδενικού ρεύματος. Η κατάσταση μηδενικού ρεύματος μπορεί να αποφευχθεί με τη χρήση ενός κυκλώματος εκκίνησης για να εξασφαλιστεί ότι κάποιο ρεύμα ρέει πάντα στα τρανζίστορ της αναφοράς, έτσι ώστε το κέρδος γύρω από το βρόχο ανάδρασης στο σημείο Β του σχήματος 3β να μην πέσει κάτω από τη μονάδα. Μια πρόσθετη απαίτηση είναι ότι το κύκλωμα εκκίνησης δεν πρέπει να παρεμβαίνει στην κανονική λειτουργία της αναφοράς μόλις επιτευχθεί το επιθυμητό σημείο λειτουργίας. Η πηγή ρεύματος με αναφορά κατωφλίου με ένα τυπικό κύκλωμα εκκίνησης που χρησιμοποιείται στις τεχνολογίες MOS είναι το απαιτούμενο κύκλωμα για αυτή την εργασία. Εάν το κύκλωμα βρίσκεται στην ανεπιθύμητη κατάσταση μηδενικού ρεύματος, η τάση πύλης-πηγής του T1 θα είναι μικρότερη από μια τάση κατωφλίου. Ως αποτέλεσμα, το T7 είναι απενεργοποιημένο και το T8 λειτουργεί στην περιοχή τριόδου, ανεβάζοντας την τάση πύλης-πηγής του T9 στο VDD . Επομένως, το T9 είναι ενεργοποιημένο και τραβάει τις πύλες των T4 και T5 στο 0. Αυτή η ενέργεια προκαλεί ροή ρεύματος στα T4 και T5 , αποφεύγοντας την κατάσταση μηδενικού ρεύματος. Στη σταθερή κατάσταση, η τάση πύλης-πηγής του T7 αυξάνεται στο Iout R, το οποίο ενεργοποιεί το T7 και μειώνει την τάση πύλης-πηγής του T9 . Με άλλα λόγια, τα T7 και T8 σχηματίζουν έναν αντιστροφέα CMOS του οποίου η έξοδος πέφτει όταν ενεργοποιείται το κύκλωμα αναφοράς. Δεδομένου ότι το κύκλωμα εκκίνησης δεν θα πρέπει να παρεμβαίνει στην κανονική λειτουργία του κυκλώματος αναφοράς στη σταθερή κατάσταση , η έξοδος του αντιστροφέα θα πρέπει να πέφτει αρκετά χαμηλά ώστε να απενεργοποιείται το T9 στη σταθερή κατάσταση. Επομένως, η τάση πηγής πύλης του T9 πρέπει να πέσει κάτω από μια τάση κατωφλίου όταν η είσοδος του αντιστροφέα ανεβαίνει από το μηδέν στο Iout R. Στην πράξη, η απαίτηση αυτή ικανοποιείται επιλέγοντας τον λόγο διαστάσεων του T7 να είναι πολύ μεγαλύτερος από τον λόγο διαστάσεων του T8 . 4 2 2.1 Προσομοίωση-Επαλήθευση σωστής λειτουργίας του κυκλώματος Υλοποίηση schematic Αρχικά στην προσομοίωση του κυκλώματος επιλέχθηκε τροφοδοσία τύπου Vdd − GN D, διότι το κύκλωμα όπως εξηγήθηκε ήδη πρέπει να μπορεί να "τραβήξει" πύλες MOS τρανζίστορ (όπως των T4 και T5 ) στο 0. Επίσης η απενεργοποίηση των απαιτούμενων τρανζίστορ σημαίνει πως πρέπει να μπορούν να βρίσκονται σε αποκοπή όταν αυτό είναι επιθυμητό, για αυτό χρειάζεται η πρόσβαση στο μηδενικό δυναμικό.΄Ετσι , η αρνητικότερη τάση βρίσκεται στο 0 (GND) , ενώ η θετικότερη στο Vdd, όπου και συνδέονται τα σώματα των NMOS και PMOS αντίστοιχα. Αρχικά υλοποιήθηκε το schematic του κυκλώματος καθώς και το σύμβολο του και συνδέθηκε κατάλληλα στο testbench schematic για την προσομοιώση της συμπεριφοράς του κυκλώματος. Τα τρανζιστορ επιλέχθηκαν με 4 ακροδέκτες (δηλαδή με το σώμα τους σε ξεχωριστό ακροδέκτη) και με συνδεδεμένα τα σώματα τους κατάλληλα, δηλαδή τα σώματα των NMOS στο GND και των PMOS στο Vdd . Εικόνα 4: Σχηματική υλοποίηση της ζητούμενης πηγής ρεύματος με αναφορά σε τάση κατωφλίου 5 2.2 Προσομοίωση Η αντίσταση R , διαπιστώθηκε μετά απο προσομοιώσεις με σταθερή Vdd και αντίσταση πόλωσης rbias , πως για μεγαλύτερες τιμές της βοηθούσε στην καλύτερη συμπεριφορά της πηγής ρεύματος μας στη σταθερή κατάσταση. Αφού, όπως αναλύθηκε, για μεγαλύτερη R, η τάση πυλης-πηγής του T7 αυξάνεται σε μεγαλύτερη τάση V (= Iout R). Με αποτέλεσμα να ανεβαίνει η είσοδος του αντιστροφέα απο το μηδέν στην τιμή αυτή που είναι υψηλότερη , όταν η τάση πύλης-πυγής πέφτει κάτω απο την τάση κατωφλίου. Η σημαντικότερη παράμετρος που ρυθμίζεται στο κύκλωμα για την ομαλή λειτουργία του , όπως εξηγήθηκε είναι ο λόγος διαστάσεων του T7 που πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερος από τον λόγο διαστάσεων του T8 . Aυτό επιτεύχθει, ρυθμίζοντας στο κύκλωμα ένα αρκετά μεγαλύτερο total width ή finger width, στο device του NM7 και συγκεκριμένα 2µm. Ειδικότερα, η τιμή αυτή προέκυψε απο το Multiplier του device αυτού, το οποίο έχει τιμή ενώ το αντίστοιχο του PM8 έχει τιμή 8, και με finger width=250nm, αυτό δίνει την τιμή συνολικά στα 2µm. Γενικά η τεχνική ενός tile το οποίο θα επαναλμβάνεται για κάθε τρανζίστορ , άρα και για μεγαλύτερα τρανζίστορ με χρήση του multiplier, είναι μια τεχνική που θα μας δώσει την δυνατότητα να παράξουμε ποιοτικότερο layout στο στάδιο του φυσικού σχεδίου. ΄Ετσι, όλα τα NMOS του κυκλώματος έχουν Length=45nm και Width=250nm. Στα PMOS δόθηκε το Length=70nm, καθώς είναι γενικώς πιο αργά απο τα NMOS , ενώ επίσης επιλέχθηκε ίδιο finger width. Ο προσομοιωτής που επιλέχθηκε για τις προσομοιώσεις είναι ο spectre ενώ ο launcher o ADE Explorer. Η τελική τιμή της R του κυκλώματος επιλέχθηκε στα 10k Ohm. Για τις προσομοιώσεις χρησιμοποιείται τάση τροφοδοσίας Vdd = 5V , καθώς κρίθηκε μετά απο δοκιμές ικανοποιητική τάση τροφοδοσίας για την επίδειξη της λειτουργίας του κυκλώματος. Για την περίπτωση όμως της κατάστασης μηδενικού ρεύματος χρησιμοποιήθηκε μικρότερη τάση καθώς τα ρεύματα δεν ήραν αρκετά μικρά για να ενεργοποιηθεί σε αυτήν την κατάσταση το κύκλωμα (Vdd = 2V ). ΄Επίσης έγινε και εισαγωγή μιας ±5% απόκλισης για ρεαλιστικότερες συνθήκες δοκιμής, παρόλα αυτ΄τα αποτελέσματα δεν διαφέρουν για την απόκλιση αυτήσ τη τάση τροφοδοσίας. Tα αποτελέσματα είναι παρόμοια σε dc ανάλυση και transient ανάλυση, παρόλα αυτά χρησιμοποείται η dc ανάλυση για να υπάρχει δυνατότητα sweep variable , δηλαδη μεταβλητής που αλλάζει δυναμικά τιμές κατα την διάρκεια της προσομοίωσης. 2.3 Κατάσταση μηδενικού ρεύματος Στην κατάσταση μηδενικόυ ρεύματος η πηγή έχει συγκεκριμένη λειτουργία η οποία περιγράφηκε στην ενότητα 1. Μετά απο προσομοιώσεις επιβεβαιώθηκε η λειτουργία αυτή , ελέγχοντας τις περιοχές λειτουργίας των ζητούμενων (και όχι μόνο) τρανζίστορ. Ο έλεγχος έγινε, αφού επιτεύχθη μια dc ανάλυση και με την βοήθεια του annotation εμφανίστηκαν όλα τα dc operating points των τρανζίστορ , ενώ στο setup του View, προστέθηκε στα instances των pmos1v αλλά και nmos1v, δηλαδή τα devices που τοποθετήθηκαν της βιβλιοθήκης gpdk, το region. 6 Το οποίο είναι και η περιοχή λειτουργίας του κάθε τρανζίστορ στη προσομοίωση. Οι περιοχές (region) των MOS τρανζίστορ με βάση την αρίθμηση του virtuoso είναι: 0. Αποκοπή 1. Γραμμική περιοχή 2. Κορεσμός 3. Subthreshold περιοχή 4. Breakdown Για να επιτευχθεί η κατάσταση μηδενικού ρεύματος, μηδενική αντίσταση rbias τοποθετήθηκε στην έξοδο του κυκλώματος στο testbench. ΄Οπως φαίνεται στην εικόνα 5, το ΝΜ7 απενεργοποιείται μπαίνοντας στην αποκοπή , ενώ παράλληλα το PM8 βρίσκεται στην περιοχή τριόδου όπως αναμένεται με βάση την θεωρία. ΄Ετσι, το ΝΜ9 ενεργοποιείται για να μπορέσει να προκαλέσει ροή ρεύματος στα PM4 και PM5, τα οποία φαίνεται πως άγουν. ΄Ετσι αποφεύγεται η επικίνδυνη κατάσταση μηδενικού ρεύματος του κυκλώματος. Εικόνα 5: Λειτουργία πηγής σε μηδενική κατάσταση ρεύματος με εμφάνιση όλων των dc operating points + region των τρανζίστορ 7 2.4 Σταθερή κατάσταση Στη σταθερή κατάσταση του κυκλώματος οπως εξηγήθηκε ήδη, η τάση πηγής πύλης του T9 πρέπει να πέσει κάτω από μια τάση κατωφλίου όταν η είσοδος του CMOS αντιστροφέα (που σχηματίζεται απο τα T7 και T8 ) ανεβαίνει από το μηδέν στο Iout R. Απο την προσομοίωση του κυκλώματος και το αποτέλεσμα αυτής αποτυπωμένο μαζί με τα dc operating points του κυκλώματος στην εικόνα 6, γίνεται αντιληπτό πως όντως ακολουθεί αυτήν την λειτουργία το κύκλωμα. Ειδικότερα, το ΝΜ7 είναι ενεργοποιημένο όταν το ΝΜ9 έχει προλάβει να έρθει σε αποκοπή. Η τάση V = Iout R , φαίνεται και στην VGS (τάση πύλης πηγής) του NM7 επιβεβαιώνοντας πως το ΝΜ7 έχει ενεργοποιηθεί όπως και ήταν αναμενόμενο απο την θεωρία. Τα υπόλοιπα τρανζίστορ λειτουργούν στον κόρο (περιοχή 2). Εικόνα 6: Λειτουργία πηγής σε σταθερή κατάσταση ρεύματος με εμφάνιση όλων των dc operating points + region των τρανζίστορ Επιπλέον , για την οπτικοποίηση των καμπύλων ρεύματος επιλέχθηκαν τα pins I_bias1, NM2/Drain (Ιout) και PM4/S (Iin) . ΄Εγινε προσομοίωση για ακραίες τιμές των τρανζίστορ σε fast fast,slow slow αλλά και nominal καταστάσεις, με την αντίστοιχη θερμοκρασία στους −40◦ , 125◦ και 27◦ . Παρουσιάζονται σε ένα plot , συγκεντρωμένα τα αποτελέσματα για Vdd = 5V , rbias = 2k, R = 10k, ενώ επίσης δίνονται με την βοήθεια του εργαλείου calculator απο την γραμμή των εργαλείων οι αναπαραστάσεις των περιοχών λειτουργίας-regions των τρανζίστορ ΝΜ7 και ΝΜ9. 8 Αρχικά , και για τις τρείς περιπτώσεις η περιοχή λειτουργίας του ΝΜ7 είναι η γραμμική ενώ του ΝΜ9 η αποκοπή. Δηλαδή δεν επηρεάστηκαν απο τις ακραίες συνθήκες τα τρανζίστορ απο το να λειτουργήσουν στην σωστή περιοχή. ΄Οσο αφορά τα ρεύματα εισόδου εξόδου, στην γρήγορη λειτουργία, είχαν μικρή απόκλιση (μερικά μA). Στην ονομαστική περίπτωση παρόμοια απόκλιση, ενώ στην αργή παρατηρήθηκε και η μεγαλύτερη απόκλιση τους , περίπου 55μΑ. Η περίπτωση της αργής λειτουργίας είναι κάπως αναμενόμενο να έφερνε χειρότερο αποτέλεσμα, μιας και σε αυτή την περίπτωση τα τρανζίστορ , ΝMOS αλλά και PMOS, έχουν μεγαλύτερη threshold και ίσως αυτό να επηρέασε την απόκριση του CMOS inverter που σχηματίζεται απο τα NM7 και PM8, σε μια πιο αργή μετάβαση απο το 0 στο Iout R, επηρεάζοντας προφανώς και την μετάβαση του ΝΜ9 στην αποκοπή. Εικόνα 7: Σημεία ρευμάτων εισόδου, εξόδου και πόλωσης + περιοχές λειτουργίας των ΝΜ7 και ΝΜ9 για τις τρείς ακραίες περιπτώσεις 3 Φυσικό σχέδιο - Layout Για το φυσικό σχέδιο του κυκλώματος χρησιμοποιήθηκαν τα μέταλλα 1 και 2 ,γενικά έγινε προσπάθεια να χρησιμοποιηθούν όσα λιγότερα γίνεται για λόγους οικονομίας. Επίσης προφανώς χρειάστηκαν vias για συνδέσεις μεταξύ των διαφορετικών layer , καθώς και extra nwell ευλικό για τις συνδέσεις των pmos με το Vdd μέσω via και nwell στρώματος εξωτερικά. Το φυσικό σχέδιο φαίνεται στην εικόνα 8. Το φυσικό σχέδιο πέρασε το test του Design Rule Check , με βάση πάντα την βιβλιοθήκη pvtech.lib , σχετικό στιγμιότυπο της επιτυχίας του test φαίνεται στην εικόνα 9. 9 Εικόνα 8: Φυσικό σχέδιο του κυκλώματος Εικόνα 9: Επιτυχής test DRC του φυσικού σχεδίου του κυκλώματος και τα μηδέν error που αυτό παράγει στα αριστερά της εικόνας 10