Разработка алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых интегральных схем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Лобская, Ирина Владимировна

• Лобская, Ирина Владимировна
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лобская, Ирина Владимировна

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.А

ГЛАВА 1 Актуальные проблемы проектирования прецизионных аналоговых микросхем.

1.1 Маршрут проектирования аналоговых микросхем

1.2 Топологическое проектирования аналоговых микросхем с учётом паразитных эффектов

1.3 Прецизионные аналоговые микросхемы и основные особенности их проектирования .2б

1.4 Правила топологического проектирования прецизионных элементов

1.5 Центроидные и гребёнчатые структуры. Возможность автоматизации их проектирования

1.6 Цели и задачи работы.

1.7 Выводы к ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2 Разработка алгоритма автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем

2.1 Особенности автоматизации топологического проектирования аналоговых схем

2.2 Основные представления, используемые при разработке алгоритмов

2.3 Блок-схема алгоритма.

2.4 Описание алгоритма.

2.4.1 Декомпозиция схемы.

2.4.2 Определение количества строк и столбцов.

2.4.3 Построение симметричной структуры.

2.4.4 Создание области защитных фиктивных элементов

2.5 Выводы к ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3 Разработка программного обеспечения для автоматизации построения топологии прецизионных элементов

3.1 Выбор языка программирования для разработки программы автоматического проектирования топологии прецизионных элементов

3.2 Программная реализация алгоритма для автоматизации построения топологии прецизионных элементов на объекто-ориентированном языке С#

3.2.1 Структура программы.

3.2.2 Описание работы программы.

3.3 Выводы к ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4 Методика проектирования специализированных аналоговых микросхем с использованием программы автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов. Примеры использования методики.

4.1 Методика проектирования аналоговых интегральных микросхем с применнением программы автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов.

4.2 Проектирования схемы управления напряжениями для флуоресцентной лампы с холодным катодом в системах подсвета жидкокристаллических мониторов и других приборов

4.3 Сравнение результатов ручного и автоматизированного проектирования прецизионных элементов аналоговых микросхем

4.4 Выводы к ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых интегральных схем»

Работа посвящена разработке алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации проектирования топологии прецизионных элементов (резисторов, конденсаторов, транзисторов) аналоговых микросхем. Предметом исследования в работе являются прецизионные элементы, правила проектирования прецизионных элементов и возможность автоматизации проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых ИС.

В работе проведена формализация правил проектирования прецизионных элементов аналоговых схем, на основе сформулированных правил были выделены необходимые этапы алгоритмического обеспечения автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов. Для отдельных алгоритмов разработано математическое обеспечение.

На основе разработанных алгоритмов создано программное обеспечение, реализующее автоматизированное проектирование топологии прецизионных элементов.

Разработана методика автоматизированного проектирования прецизионных элементов аналоговых микросхем.

Актуальность темы

Современные системы автоматизации проектирования СБИС являются сложными многокомпонентными системами, в рамках которых разработчику доступно большое количество разнообразных маршрутов проектирования. И всё же в настоящее время не все этапы разработки интегральных 4 микросхем удалось автоматизировать. Автоматизация проектирования топологии аналоговых схем - сложная задача, нерешённая на сегодняшний день в общем виде для всех классов аналоговых схем. В частности, при разработке топологии прецизионных аналоговых схем в настоящее время используется ручное проектирование. Автоматизация процесса проектирования топологии позволит сократить время проектирования и уменьшить вероятность ошибок, возникающих из-за человеческого фактора. Ключевым моментом при автоматизации процесса проектирования топологии прецизионных аналоговых схем является автоматизация проектирования топологии прецизионных элементов.

Цели и задачи работы

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмического и программного обеспечения для автоматизации проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых интегральных схем.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Исследовать существующие подходы к проектированию аналоговых интегральных схем.

Формализовать правила проектирования прецизионных элементов.

Разработать математическое обеспечение и алгоритмы реализации основных правил топологического проектирования прецизионных элементов.

Разработать алгоритмы автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов.

Реализовать разработанные алгоритмы в виде программного обеспечения.

Разработать методику проектирования аналоговых микросхем на основе разработанных алгоритмического и программного обеспечения.

Провести практическую апробацию разработанной программы.

Научная новизна работы

Разработан алгоритм автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем на основе упрощённого метода получения статистических параметров прецизионных элементов.

Разработан алгоритм определения количества строк и столбцов в прецизионной структуре, основанный на методе Герона.

Разработано математическое описание и алгоритм автоматического построения симметричной структуры, основанный на использовании радиальных областей.

Разработана методика проектирования аналоговых микросхем с использованием программы автоматического формирования прецизионных структур.

Практическая значимость работы

На основе полученных теоретических результатов разработана программа автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем, являющаяся удобным инструментальным средством для разработчиков специализированных аналоговых интегральных микросхем. С использованием программы автоматизированного построения прецизионных элементов маршрут проектирования прецизионных аналоговых микросхем упрощается.

Разработанное программное средство позволяет получить безошибочный проект на ранних стадиях проектирования и сократить время разработки прецизионных аналоговых микросхем.

Методы исследования

При формализации правил топологического проектирования прецизионных элементов использовался математический аппарат теории вероятности. При разработке алгоритмов для автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов был использован математический аппарат теории множеств и теории алгоритмов, а также аналитическая геометрия и векторный анализ. При разработке программного обеспечения был использован унифицированный язык моделирования (UML) для описания структуры программы и объектно-ориентированный язык С# (Си шарп) для реализации программного продукта. Экспериментальные результаты были получены при помощи разработанного программного обеспечения.

Достоверность полученных результатов подтверждается используемым в работе математическим аппаратом, экспериментальным тестированием и эксплуатацией разработанного программного обеспечения.

Реализация результатов работы

Результаты работы в виде средства автоматизированного проектирования прецизионных элементов аналоговых схем используется в маршруте проектирования аналоговых схем в фирме ООО «Юник Ай Сиз» и в учебном процессе МИЭТ (ТУ) , что подтверждается актами о внедрении. Использование разработанного программного обеспечения на предприятиях показывает высокую эффективность его применения в цикле проектирования прецизионных аналоговых ИС. 7

Личный вклад автора

Все результаты, приведенные в диссертации, получены либо лично соискателем, либо с его непосредственным участием. Основными из полученных лично автором результатов, являются:

1. формализация правил проектирования прецизионных элементов аналоговых схем;

2. разработка алгоритма автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов;

3. разработка алгоритма определения количества строк и столбцов в прецизионной структуре;

4. разработка алгоритма автоматического формирования симметричной структуры;

5. создание программного обеспечения для реализации разработанных алгоритмов;

6. разработка методики проектирования аналоговых микросхем с использованием программного обеспечения для автоматизации построения топологии прецизионных элементов.

Представляется к защите

1.Формализация задачи проектирования топологии прецизионных элементов на основе упрощенного метода получения статических параметров.

2. Алгоритм автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов.

3. Алгоритм определения количества строк и столбцов в прецизионной структуре, основанный на методе Герона.

4.Математическое описание и алгоритм построения симметричной структуры, основанный на использовании радиальных областей.

5. Архитектура автоматизированного средства проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем, реализованная на основе объектно-ориентированного языка С sharp (С #).

6. Методика проектирования специализированных аналоговых схем с применением средства автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем.

Апробация результатов работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

XI Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 21, 22 апреля 2004 г.

XLVII научная конференция МФТИ, Москва, 26, 27 ноября 2004 г.

XII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 19 - 21 апреля 2005 г.

XLVIII научная конференция МФТИ, Москва, 25, 26 ноября 2005 г.

XIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 19 - 21 апреля 2005 г.

V Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2005", 23 - 25 ноября 2005 г.

Публикации.

Материалы, отражающие основное содержание работы, опубликованы в научной статье и шести докладах в трудах российских и международных научно-технических конференций. Библиографические данные публикаций приведены в разделе "Библиография".

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложения, содержащего акты внедрения результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Лобская, Ирина Владимировна

Выводы к ГЛАВЕ 4.

1.Предлагается методика проектирования прецизионных аналоговых микросхем с применением программы автоматизированного построения топологии прецизионных элементов. Основное отличие от известной методики заключается в том, чтобы для одного из самых трудоёмких этапов проектирования аналоговых схем -проектирование прецизионных элементов, предлагается использовать программу автоматизированного построения топологии прецизионных элементов.

2.Приводится вариант использования программы автоматизированного построения топологии прецизионных элементов на примере проектирования топологии схемы управления напряжениями для ламп с холодным катодом в системах подсветки жидкокристаллических мониторов.

3.Проводится сравнительный анализ результатов проектирования топологии микросхем с применения программы автоматизированного построения топологии прецизионных элементов и без применения программы автоматизированного построения топологии прецизионных элементов. Результаты сравнения показывают, что использование программы автоматизированного построения симметричных структур позволяет достигнуть такого же согласования прецизионных элементов как и при ручном проектировании, при этом время проектирования топологии аналоговых схем сокращается, и понижается влияние человеческого фактора.

4.На основе проведённой работы подтверждена целесообразность использования предложенной методики проектирования прецизионных аналоговых схем.

111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение позволяет автоматизировать проектирование топологии прецизионных элементов аналоговых интегральных схем. В процессе пробной эксплуатации программного обеспечения удалось достичь экономии трудозатрат, снижения требований к квалификации разработчика и как следствие, роста скорости разработки и снижения числа ошибок в схеме. В этом выражается эффект от автоматизации проектирования топологии прецизионных элементов.

В заключение выделим основные результаты данной работы:

1. Проведён анализ построения прецизионных элементов при проектировании аналоговых схем и формализация задачи проектирования топологии прецизионных элементов на основе упрощенного метода получения статических параметров.

2. Разработан алгоритм автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов.

3. Разработан алгоритм определения количества строк и столбцов в прецизионной структуре, основанный на методе Герона.

4. Разработаны математическое описание и алгоритм построения симметричной структуры, основанный на использовании радиальных областей.

5. Разработана архитектура автоматизированного средства проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем, реализованная на основе объектно-ориентированного языка С#.

6. Разработана методика проектирования специализированных аналоговых микросхем с применением средств автоматизированного проектирования топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем.

В ходе эксплуатации разработанного программного обеспечения было проведено сравнение способов решения практических задач при помощи разработанной методики и традиционным способом (ручное проектировании топологии прецизионных блоков). Что позволило сделать следующие выводы: использование разработанного программного обеспечения позволяет сократить время на разработку топологии аналоговых схем в 1,5-2 раза. Требуемая точность выполнения прецизионных аналоговых элементов достигается, поскольку соблюдаются правила топологического проектирования прецизионных элементов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лобская, Ирина Владимировна, 2007 год

1.Казённов Г. Г. Основы проектирования интегральных схем и систем, М: БИНОМ, 2005, с. 296

2. Hastings A. The Art of Analog Layout // PRENTICE HALL Upper Saddle River, NJ 07458. 2001, P.539

3. Козырь И.Я., Горбунов Ю.И., Чернозубов Ю.С.,

4. Пономарёв А.С. Общая технология // М. : Высшая школа, 1989, С.2234 . В. М. Щемелинин Автоматизация топологическогопроектирования БИС, учебное пособие, Москва, 2001 5.Semiconductor Industry Association (USA)

5. Solid State Technology, February, 1995, p.57.

6. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с англ. / Подред. С. Зи. М.: Мир, 1986. с. 453

7. Нефедов А.В. Зарубежные аналоговые микросхемы и их аналоги. Т. 5, РадиоСофт (КубК) , 2000 г. ISBN: 593037-031-1 с. 736

8. Денисенко В. Моделирование разброса параметров транзисторов в КМОП СБИС. Компоненты и технологии, 2003, № 8 , стр.40-45, продолжение в №9, с. 32-39

9. Э.Адамов Ю.Ф., Губин Я., Сибагатуллин А., Сомов О. Аналоговые блоки в системах на кристалле. Электроника: Наука, Технология, Бизнес 8, 2004.

10. Кириллова Е. Согласование интегральных элементов. Часть 1, Chip News. №9 с. 54-60.

11. Кириллова Е. Согласование интегральных элементов. Часть 2, Chip News. №9 с. 25-29.

12. Алексеенко А.Г., Коломбет Е. А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых интегральных схем. М.: Радио и связь, 1980.

13. Холтон У.С. Перспективы развития КМОП-технологии // ТИИЭР. 1986. Т.74. С.56-83.

14. Рыбалко Н.С., Богатырева Е.С. Центроиды графов оптимальные вершины многокритериальных задач / Научный потенциал студенчества будущему России / Материалы Всероссийской научной студенческой конференции. Ставрополь: СевКавГТУ, 2006. с. 212.

15. Bruce J.D., Li H.W., Dallabetta M.J., Baker R.J. Analog Layout Using ALAS! // IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 31, NO. 2, FEBRUARY 1996, P.271-274.

16. Дженнрич P. И. Пошаговый дискриминантный анализ // Статистические методы для ЭВМ. М.: Наука, 1986, С. 94-112.

17. Кунву Ли Основы САПР CAD/CAM/CAE., Питер, 2004

18. Томас Кормен , Чарльз Лейзерсон , Рональд Риверст Анализ алгоритмов., с. 4 9-7 6.

19. Александров А.Д. Основания геометрии. М., Наука, 1987. с. 95

20. Прасолов В. В. Задачи по планиметрии. Части I, II. М., Наука, 1986. с. 130

21. Станченко С.В., Хованский С. А. Электронный учебник-справочник Планиметрия. М., КУДИЦ., 1998.

22. Чошанов М.А. Гибкая технология проблемно-модульного обучения. М., Народное образование, 1996.

23. Giovanni Anelli Noise and Matching in CMOS (Analog) Circuits CERN European Organization for

24. Nuclear Research Experimental Physics Division Microelectronics group, Geneva 23, 2002y.

25. David Johns Ken Martin, John Wiley&Sons, Analog Integrated circuit design, inc New York 713 p.

26. Koen Lampaert, Geoges Gielen, Member, IEEE, and Willy M.Sansen, Senior Member, IEEE A Performance-Driven Placement. Tool for Analog Integrated Circuits. IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.30, no.7, July 1995, p.773-780;

27. Marcel J.M. Pelgrom, member, IEEE, AAD C.J. Duinmaijer, and Anton P.G.Welbers Matching Propeties of MOS Transistors, IEEE Journal, of Solid-State Circuits, vol.24, no.5, October 1989, p.1433-1439;

28. Simon J.Lovett, Marco Welten, Alan Mathewson, and Barry Mason Optimizing MOS Transistor Mismatch, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.33, no.1,January 1998, p.147-150;

29. Мао-Feng Lan, Anilkumar Tammineedi, Randall Geiger A new current Mirror Layout Technique for Improved Matching Characteristics, Department of Electrical and Computer Engineering Iowa State University, Ames, IA 50011, U.S.A., p.1-4;

30. Reimund Wittmann, Werner Schardein, Bedrich J.Hosticka, Gert Burbach, and Juergen Arndt Trimless High Precision Ratioed Resistor in D/A and A/D Converters, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.30, no.8, August 1995, p.935-939;

31. P.Singer 1997: The down of quarter micron production., Semiconductor International, January 1997, pp.50-57.

32. A.N. Netravali The impact of solid-state electronics on computing and communications., Bell Labs Technical Journal, 1997, vol. 2, No. 4, pp.126153.

33. H.Sasaki Multimedia: Future and impact for semiconductor technology. International Electron Devices Meeting , Washington , Dec. 7-10 , 1997, pp 3-8.

34. Стемпковский A. Jl. и др. Системная среда САПР СБИС, М.: Наука, 1994.

35. Гамма, Э.; Хелм, Р.; Джонсон, Р. и др. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. Изд-во: СПб: Питер, 2001 г.

36. Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений. Изд-во: СПб: Вильяме, 2004 г.

37. Саттер Г. Решение сложных задач на С++. Изд-во: СПб: Вильяме, 2002 г.

38. Орлов С. А. Технологии разработки программного обеспечения. Изд-во: СПб: Питер, 2002 г.

39. Дэвид С.Платт "Знакомство с MICROSOFT.NET" -М. .-"Русская редакция", 2001 г.

40. Норенков И.П., Маничев В. Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: "Высшая школа", 1983.

41. Корячко В.П., Курейчик В.М., Норенков И. П. Теоретические основы САПР. М.: "Энергоатомиздат", 1987.

42. Казеннов Г.Г., Соколов А.Г. Основы построения САПР и АСТПП М.: "Высшая школа", 1989.

43. Лобская И. В., Брюхова Ю. В Особенности проектирования топологии высокоточных элементов и структур в прецизионных аналоговых микросхемах /И.

44. B. Лобская // Тез. докл. XLVII научной конф. МФТИ, Москва, 26-27 ноября 2004 г. / М. : МФТИ, 20041. C. 110.

45. Лобская И. В. Методика проектирования аналоговых микросхем с применением автоматизированной системы Cadence и программы CADPAL /И. В. Лобская // Тез.докл. на XLVIII научной конференции МФТИ, Москва, 25- 26 ноября 2005 г. / М. : МФТИ, 2005 С. 124

46. Лобская И. В. Формализация задачи построения центроидных структур в прецизионных аналоговых микросхемах/ И. В. Лобская // Известия ВУЗов. Электроника 2007 - №1 - С.4 9 - 54.

47. Лобская И. В. Автоматизация построения центроидных структур при проектировании топологии прецизионных элементов аналоговых микросхем/ И. В. Лобская // Известия ВУЗов. Электроника 2007 - №3- С.49 54.

48. Дж.Д. Ульман Вычислительные аспекты СБИС.', М: Радио и Связь, 1990, с. 560.

49. Б.С.Фёдоров, Н.Б.Гуляев Проектирование программного обеспечения САПР., М: Высшая школа, 1990.

50. Якобсон, Г. Буч, Дж. Рамбо. Унифицированный процесс разработки программного обеспечения.- СПб.: Питер, 2002. 496 с.

51. Бек К., Экстремальное программирование. СПб.: Питер, 2002, 224с.

52. Бек К., Фаулер М., Экстремальное программирование: планирование. СПб.: Питер, 2003. 144с.

53. Амблер С., Гибкие технологии: экстремальное программирование и унифицированный процесс разработки. Библиотека программиста. СПб.: Питер, 2005. - 412 с.:

54. Рамбо Дж. и др., UML: специальный справочник, СПб.: Питер, 2002. 656с.

55. Гома X., UML. Проектирование систем реального времени, параллельных и распределённых приложений: Пер. с англ. М.: ДМК Пресс, 2002. - 702с.

56. Грэхем И., Объектно-ориентированные методы. Принципы и практика. 3-е издание: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. - 880с.

57. Рыков А.С., Методы системного анализа: многокритериальная и нечёткая оптимизация, моделирование и экспертные оценки. М. : Экономика, 1999. - 316с.

58. Дэвид С.Платт, Знакомство с MICROSOFT.NET. М: Русская редакция, 2001 - 220с.