基于试验设计技术的IC优化设计

第28卷第4期电子器件Vol.28 No. 42005年12月Chinese Journal of Electron DevicesDec.2005IC Optimization Design Based on Experimental DesignYOU Hai-long ,ZHANG Xiao -bo,JIA Xin-zhang1. School Of Microelectronics, Xidian Univ. ,Xi" an 710071, China;( 2. Key Lab of Ministry of Education for Wide Band -Gap Semiconductor Materials and Devices, Xi'an 710071, China)Abstract : The optimization design of integrated circuit (IC) with multi-specifications and many parame-ters, simply to rely on EDA ( Electronic Design Automatic) has the problems of low efficiency and havingrestriction on the number of specifications and parameters. By setting up the statistical models relating thespecifications with parameter and then optimizing circuit design with the suggested experimental designtechnology the above-mentioned problems could be solved. The design of a low-power integrated operationamplifier with 4 parameters and 3 specifications is optimized using this method. Through 16 simulation ex-periments, the optimization design is completed. This method has superiority to the optimization design ofthe integrated circuit with multi-specifications and many complicated parameters.Keywords :experimental design ; statistical model ; low- power integrated operation amplifier ; simulation ex-perimentEEACC:2220; 0260基于试验设计技术的IC优化设计游海龙,张小波,贾新章1 1.西安电子科技大学微电子学院,西安710071;2.宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，西安710071摘要:现代集成电 路(IC)的优化设计主要依靠EDA工具完成。但是针对多指标、多参数的IC设计,单纯依靠EDA工具存在效率低以及指标和参数个数限制等问题。从试验设计技术出发,以EDA仿真作为实验.建立指标与参数的统计模型,进而优化设计电路，解决了上述问题。将该方法应用于4参数.3指标的低功耗集成运放的设计,仅通过16轮仿真试验,得到了电路指标最优情况下的参数设置。该方法对多指标、复杂参数的集成电路的优化设计更具优越性。关键词:试验设计技术;统计模型;低功耗集成运放;仿真试验中图分类号:TN402文献标识码:A .文章编号: 1005- 9490( 2005 )04 0830-04集成电路设计与优化时,在基本功能实现的情工具来完成。但是在多参数、多指标的情况下,如何况下为了使电路指标符合要求或者达到最优,我们提高利用EDA工具进行电路设计与优化的效率、将调整许多参数,如电路元件的标称值以及工艺模突破EDA工具对优化参数与指标个数的限制以及型参数等。电路指标与这些参数的电学关系极其复建中国煤化工、适用的模型将是一个杂,因此现代集成电路的设计与优化必须依靠EDA需YHCNMHG电路中存在多个指标相收稿日期: 2005-03-15基金项目:模拟集成电路国家重点实验室基金资助(51439040103DZ0102)作者简介:游海龙(1979-),男,湖北,博士研究生,主要从事微电路工艺中的可靠性控制,工艺表征及电路仿真试验设计，youhailong@ 126. com第4期游海龙，张小波等:基于试验设计技术的IC优化设计831互影响、影响他们的参数相互重叠的情况,这时单纯利用EDA工具来进行优化将存在一定的局限“0.01.0性1.2]。因此,我们希望能通过有限的EDA仿真高-01-0.50.00310-0.1-0500310效地建立优化指标与参数(一定区域内)适用而简单X(间)图1(a)传统设计(b)填 满空间设计的模型,然后利用模型对电路指标进行优化设计。为Bernardo等人以及Welch等人(1992)提出拉丁超了达到上述目标,我们将EDA仿真看作实验,采用立方抽样尤其适合这种电脑仿真试验。本文中的抽试验设计技术[3,安排EDA仿真方案,建立电路指样的方法为拉丁超立方方法。该方法使输入组合相标与参数的统计模型优化设计集成电路。方法的思对均匀性的填满整个试验区间,并且每个试验变量路如下:水平只使用-次,因此,如果一个参数几乎不影响响①利用EDA工具,确定显著影响指标的参数应指标而从试验变量设置中删除,试验设计仍然是以及变化参数范围;②利用试验设计技术安排试验没有任何点是重合的拉丁超立方设计,这与要因试抽样,确定试验方案,进行电路仿真,采集数据;③利验相反。用统计建模的方法,建立电路指标与参数的模型;④1.2 统计建模方法检验模型精确度，如果不够精确,返回第一步,进一利用EDA工具模拟电路,针对给定组合多次步提高模型精确度;⑤模型足够精确,利用模型优化试验其结果-样,这与实际的物理试验相比,存在很电路,求电路指标最优情况下的参数设置;⑥利用多不同,EDA仿真结果不存在通常意义下的试验随EDA工具仿真,验证结果。在第二部分中,我们将详机误差,从而缺乏进行统计分析的基础;另外,试验细说明本文中采用的抽样与建模方法。第三部分中，只能在少数的若干点进行,之后需要再对未试验点我们将该方法用于多指标、多参数的低功耗集成运的响应进行预测，这种预测当然存在着不肯定性,于算放大器的优化设计,对该电路我们关心的指标包是这种不肯定性如何去刻画将成新的问题。Sacks、括:静态功耗、电压增益以及开环带宽;第四部分,方Schiller和Welch 等提供了一个叫做Kriging的统法应用的结论。计模型,他们把响应变量处理为一种随机过程的方1 抽样与建模法。但是该方法过于复杂。因为在本文中,我们采用拉丁超立方的设计方法,试验组合不存在重复情况，从上述思路可以看出,相对于传统的电路优化并且对试验点的响应预测将返回到仿真中进行验设计,我们多了抽样与建模部分。而与传统的试验设证,因此本文中将采用简单统计回归方法即方差分计技术相比，利用EDA工具仿真作为实验,在抽样析的方法,并且在模型中只考虑参数的二次以下项和建模中也具有不同的特点。下面我们介绍本文中的效应,这已经能满足问题的需要。采用的试验抽样方法和数据处理的建模方法。1.1试验抽样[4.5]2集成电路优化设计实例我们通过EDA扫描分析或灵敏度分析,可以集成运算放大器是电子系统的通用基本模块，确定显著影响电路指标的关键参数,以及它们变化它能用来处理各种模拟信号,完成放大、振荡、调制范围。而如何选取和安排实验输入组合，将是试验抽和解调以及模拟信号的相除、相乘相减和比较等功样需要解决的问题。我们的目的是建立电路指标与能,而且还广泛应用于脉冲电路,是目前应用最广、参数之间简单、适用的模型来代替它们之间实际关产量最大的模拟集成电路。-般通用集成电路的功系，即利用电脑进行仿真试验。传统的试验设计抽耗在100mW左右,功耗小于10mW的集成运放称样,由经验发现往往存在堆积点的问题,即试验组合之为低功耗集成运放。本文设计的是-种低功耗集没有布满整个空间,其所得模型也将不能代表整个成运算放大器,其主要指标有:静态功耗、电压增益参数变化区域。因此传统试验设计方法中的抽样方以中国煤化工图2所示凹。法:如要因试验、正交试验、响应曲面设计等将不适，MHCNMHG范围的确定用。我们必须要求试验设计填满空间,称作“填满空利用EDA工具Pspice扫描分析以及灵敏度分间设计”(“Space Filling "Designs);例如,针对两变析,可以确定对低功耗集成运放的静态功耗影响较量的情况,传统的设计与“填满空间设计”如图1所为显著的元件参数有电阻Rg、Q12晶体管的正向电示。因此,从均匀性出发，统计学家相继提出适合电流放大倍数BF;对电路的开环带宽影响较大的元脑仿真试验的抽样方法如拉丁超立方、均匀设计等。件参数为晶体管q.的势垒电容C。对电路的电压832电子器件第28卷429CyP2针对上述参数变化范围,我们利用拉丁超立方抽样的方法,确定16组试验组合,(由统计软件JMP完家表1试验输入参 数以及变化范围ium an but'int 420K9试验输入参数参数变化范围Q12BF100, 300R:/kn13. 5~16.5Q10BF100~ 300图2低功耗集 成运算放大器QnC:/PF1~ 10增益影响较大的元件参数为Q12的BF,R:的阻值和成[0])。使用EDA工具Pspice仿真,得到每一组合Q.的BF。具体情况和变化范围如表1。下的电路指标值如表2。2.2试验组合的确定以及试验数据采集表2试验组合以及试验结果组合Re(k0)Q 10BFQ11Cje/PF静 态功耗/mW电压增益/dB.开环带宽/Hz2016. 5126. 666 6678.14. 2529397. 283 6754. 804 14:113. 33333314.5233. 333 3338.88. 22943103. 342 4529.253 5330015.7193. 333 3337.619. 3857996. 2402766. 079 68273.333 33316.32202.817. 496 5697. 38756148.069 15206. 666 66714.11409.414.460 5497. 52208 .46.763 61286.666 66713.71804.619.772 8095. 878 58110.69193153.333 33313.911.061 9199. 9206481. 032 57193.333 33315. 3206.666 6675.813. 106 8799. 458 0189. 3819126014.96.417.415 3498.141 7763.02112233.333 33314.398. 452 16318. 998 90:115. 9012. 05820100.7555630. 599 982246. 666 66715.5113.333 3333.416. 296 9495. 808 85 .147.63121i316. 1166.666 6671.69.517 86 .101.345 32159.32187.413.5286. 666 6675.212. 09939100. 834 0557. 059 2515.11008.94332.100. 0833346. 67142 .1614.7246. 6666672.27. 297 98104. 397 9286.121 452.3电路指标与参数的统计模型的建立结果，可以利用该模型优化电路。我们采用方差分析的方法建立指标与参数间的2.4电路优化设计统计模型，根据参数的二次以下项(包括参数的一-次根据统计模型,结合最优化理论以及电路优化交叉项)对每个指标影响的显著性分析,确定每个模的实际要求,我们可以确定电路的优化结果。例如本型的自变量。当P值小于0.05即判断为显著,即作文中从静态功耗以参数Q12BF和R。为变量的函数为模型的自变量。建立的电路指标的多项式模型为:曲面图(图3),可以看出Q12BF越小、R。越大,静态静态功耗(mW )=5.063 268 690+0.096 305 801X功耗越小。而从电压增益以参数Q12BF和Q10BF(Q12BF)- 0.564 337 684X(Rg)-0.00 189 102 5X为变量的函数曲面图(图4),可以看出Q12BF越(Q12BF)X(R3) +0.017 632 646X(Rz)2-小、Q10BF越大,电压增益越大;而从开环带宽的模0.000 012 778X (Q12BF )2型可以看出,当Q12BF给定(满足静态功耗最小)，电压增益(dB)=104.628 629 6 -0.074 704 2X当Q11Cje=1时,开环带宽最大。本电路优化的目Q12BF+0.041 483 0X (Q10BF)+0.000 094 2X标是保证静态功耗最低时,电压增益以及开环带宽(Q12BF)2-0.000 067 0X (Q10BF)2达到最大,即静态功耗是首要目标。因此在表1给定开环带宽(Hz)=220.752 457 7 -66.576 296 7 X的中国煤化笠合电路设计要求并使电.(Q11cje)+0.400 977 6X (Q12BF)+4.253047 6路如下:TYHCNMH G_(Q11Cje)2wx1cDr= 1UU Kg= 10.5 k0模型对数据的拟合好坏,通常通过全相关系数Q10BF=300 Q11Cje= 1PFR2来衡量。静态功耗、电压增益以及开环带宽模型将.上述设置分别代入模型以及电路仿真中求得的R2分别为:1.000、0.992 534以及0.849 361。可电路指标的预测值和仿真值,其结果如表3。可以看以看出,模型拟合的结果较好,模型能显著代表试验出相对规格要求优化后的电路指标有了显著提高，第4期游海龙，张小波等:基于试验设计技术的IC优化设计833静态功耗/mW3结论20.73-本文介绍了基于试验设计技术,安排电路仿真16.11方案,建立电路指标与参数的统计模型,利用该模型r300优化设计电路指标的一种集成电路优化设计的方233法;并将该方法应用于低功耗集成运算放大器的优6.87 :I“167 Q12BF16.5 15.3化设计中,取得较好效果。该方法提高了多指标、多Rgikn 14.5~13.5* 100参数集成电路优化设计的效率,解决了单纯依靠图3静态功耗以参数Q12BF和Rs为变量的曲面图EDA工具优化设计集成电路的局限性。当参数以及差模增益/dB指标数目超过10个以及参数更为复杂(包括可控因104.4-素以及工艺制造带来的噪声因素)情况下,该方法更100.7具优越性和实际意义。97.0参考文献:7 300[1] 贾新章. ORCAD/Pspice9实用教程[M].西安:西安电子科技93.3k300Q12BF16710010I 167 Q10BF大学出版社1999[2]王艳颖.低功耗集成运算放大器的优化设计[D].西安电子科图4电压增益以参数Q12BF和Rs为变量的曲面图技大学硕士论文.而且模型能较好的预测试验仿真结果。模型优化结[3] Douglas C. Montgomery.现代外国统计学优秀著作译丛实验设计与分析[M].第三版,中国统计出版社.果与实际验证的结果如下:[4] Simpson Timothy W，Lin Dennis Kj，and Wei chen. Sam-表3电路指标规范值 与优化结果pling for Computer Experiments: Design and Analysis[J],In-优化后的指标规范值ternational Journal of Reliability and Applications ,2001 ,08.模型预测值电路仿真值[5]张润楚,王兆军,关于计算机试验的理论和数据分析[J],应用106. 936. 92概率统计,1994,10(4):420-435.电压增益/dB100104.25105. 26[6] JMP Version 5 English Documentation Set[M]. SAS Publish-开环带宽/Hz198. 53158. 93ing, 2002.(上接第826页)靠性和准确性,可满足目前的连铸过程中高灵敏度元作为中间层,其计算结果作为系统下渣判断信号,自动下渣检测的要求。输出给外设控制模块。而整个神经网络的训练则采用BP来进行。[31⑥外设控制模块主控模块根 据能量计算模块和模式识别模块分析得到的下渣判断[1]杨乐平.李海涛，赵勇.杨磊.安雪滢.LabVIEW高级程序设信号触发工控机的外设控制模块,对现场操作人员计.北京.清华大学出版社.2003年进行报警提示。同时,工控机通过PLC控制器连接[2] 秦前清，扬宗凯.实用小波分析[M].西安.西安电子科技大学.出版社.1994.滑动水口的液压控制端，可实现滑动水口的实时开[3] [俄]加卢什金.神经网络理论[M].译者阎平凡.北京.清华大关自动控制。学出版社.2002.4] 职建军,裘嗣明,侯安贵.钢包下渣检测技术在宝钢的应用.上4结论海.宝钢技术.2004年05期.(1)本系统在对大包下渣过程的深入研究和分[5] 陈华。宝钢一连铸钢包下渣检测技术的应用[J].上海。炼钢.2004.析的基础上,提出了-种新的基于振动监测和神经6]中国煤化工查检测方法的研究现状与进展网络识别的下渣检测系统,并在南京钢厂和杭州钢MH.CNMHG厂连铸车间建立了在线检测实验系统,取得了良好[7]月晓平，战水卿。控制山钢卜渣量的生产实践[J].河北邯郸.的应用效果。河北冶金.2003. (1).(2)与国内外现有的下渣检测系统相比,我们的[8] 吕文,王天瑶。浇注过程中的防下渣技术[J].内蒙古包头.包钢科技.2001.系统具有高可靠性、低成本、灵敏度可调、安装维护[9]何绍清,柴毅忠.下渣检测技术[J].广州。冶金丛刊.1999.方便、操作简单易懂等特点,明显优于目视下渣的可(03).