Mitä on analoginen IC-suunnittelu?

Tässä artikkelissa tarkastelemme analogisten IC:iden suunnitteluprosessia.

Analoginen IC-suunnittelu vs. digitaalinen IC-suunnittelu

Analoginen IC-suunnittelu eroaa suuresti digitaalisesta IC-suunnittelusta. Siinä missä digitaalinen IC-suunnittelu tehdään enimmäkseen abstraktilla tasolla järjestelmillä ja prosesseilla, jotka määrittelevät portti-/transistoritason sijoittelun ja reitityksen erityispiirteet, analoginen IC-suunnittelu sisältää yleensä henkilökohtaisemman keskittymisen kuhunkin piiriin ja jopa kunkin transistorin mitoitukseen ja erityispiirteisiin.

Myös monet valimoprosessit on ensisijaisesti kehitetty digitaalisille IC-piireille, joissa on analogisia ominaisuuksia, mikä edellyttää analogisten IC-piirien suunnittelijoilta työskentelyä prosessirajoitusten ja ominaisuuksien kanssa, jotka soveltuvat paremmin digitaalisille IC-piireille.

Kuvaa on käytetty kohteliaisuudesta: Rony B Chandran

Suunnittelun spesifikaatioita

Analogisten piirien suunnitteluryhmät lähtevät liikkeelle yleensä joukosta spesifikaatioita ja ominaisuuksia, aivan samoin kuin analogisten IC-piirienkin suunnittelu. Tämän jälkeen eri toimintojen toiminnallisia malleja käytetään rajoitteiden tarkempaan rajaamiseen, mikä johtaa päätöksiin laitteen koosta, tyypistä ja muista prosessin ominaisuuksista. Tähän voi sisältyä transistorivalintoja, korkean tason lattiasuunnittelua, induktori- ja kondensaattoritekniikoiden sisällyttämistä sekä IC:n ja alipiirien haluttuja tunnuslukuja.

Arkkitehtuurin laitteiston kuvauskielellä (AHDL), kuten VHDL-AMS:llä, voidaan suorittaa simulaatioita korkeilla tasoilla ja määritellä alilohkojen rajoitteet. Tässä vaiheessa voidaan myös kehittää testipenkki, jota käytetään myöhemmin simuloinnissa, joskin analogiasuunnittelijat kehittävät usein myös testipenkkejä alipiirisuunnitelmiaan varten.

Alipiirisuunnittelu, fyysinen asettelu ja simulointi

Näiden yksityiskohtien selvittyä ja analogisen piirin monimutkaisuudesta riippuen analogiasuunnittelutiimit tyypillisesti jakavat alipiirien suunnittelun yksittäisille henkilöille. Tehdään idealisoituja makrotason mittauksia, jotka määrittelevät edelleen alipiirien rajoitukset ja suorituskykyodotukset.

Tämän jälkeen nämä makrosuunnitelmat pilkotaan kaaviokuviksi, joissa piirielementit mallinnetaan valimoprosessista. Näiden piirien simulointi ja optimointi suoritetaan, minkä jälkeen alkaa fyysinen asetteluprosessi. Sijoittelu ja reititys, jonka jälkeen tehdään DRC-tarkistukset (design rule checks) ja layout vs. schematic ennen loishäiriöiden poistoa ja post-layout-simulointia.

Post-layout-simulointi voi paljastaa puutteita suunnittelussa, ja iteratiivinen uudelleensuunnittelu-, layout- ja simulointiprosessi voi olla tarpeen, jotta saavutetaan lopulliset suunnittelutavoitteet ja lähetetään integroitu elektroniikkayksikkö nauhoitettavaksi. Osapiireille voidaan myös suorittaa oma suunnittelu-, asettelu- ja simulointiprosessinsa ennen koko piirin asettelua ja simulointia, vaikka kumpikin lähestymistapa voi johtaa tarpeeseen suunnitella piirit uudelleen ennen tape-outia.

Esimerkki Cadence Analog Design Environmentin aaltomuotoikkunasta. Kuvakaappaus, jota on käytetty Saad Rahmanin ja Chintan Patelin toimesta Marylandin yliopiston Baltimore Countyn kautta

Analogiset abstraktiotasot

Alhaalla on analogisen IC-suunnitteluprosessin abstraktiotasot:

1. Funktionaalinen
2. Behavioraalinen
3. Makro
4. Piiri
5. Transistori
6. Fyysinen asettelu

Analogisen IC:n suunnittelun kulku

Nimenomaisesti analogisen IC:n suunnitteluun liittyvät työvaiheet voidaan jakaa seuraavasti:

• Suunnittelun spesifikaatio
  • Spesifikaatiot
  • Spesifikaatiot
  • Rajoitukset
  • Topologiat
  • Testipenkkikehitys
• Skemaattinen virtaus
  • Järjestelmän-tason kaavion syöttö
  • Arkkitehtuurin HDL-simulointi
  • Lohkon HDL-spesifikaatio
  • Circuit-level schematic entry
  • Circuit simulation and optimization
• Physical flow
  • PCell-based layout entry
  • Design rule check (DRC)
  • Layout versus schematic (LVS)
  • Parasitic extraction
  • Post-layout simulation
  • Tape-out