CMOS电路的参数提取与建模分析

赵智超+吴铁峰

[摘 要] 静态时序分析是电路时序收敛验证的核心方法，而在实际工作中需要构建准确的时序模型。在完全定制电路设计中不能选择常规晶圆工厂的时序工艺库，这种情况下时序模型尤为重要。文章选择SNPS公司的工具完成CMOS电路参数的提取，完成瞬态分析，构建时序模型。以传输管为范例，对查找表时序模型的建立进行分析

[关键词] CMOS电路；参数提取；建模分析

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 11. 077

[中图分类号] TP311 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2017）11- 0156- 02

1 时序模型的构建分析

1.1 时序模型的类型分析

就目前而言，比较常用的时序模型有查找表模型和K-factor模型两种。相比较而言，查找表模型的应用更加广泛，因为其本身并不会以线性方程来呈现，非线性的特点使得模型的准确性更好。

1.2 查找表时序模型的构建

查找表时序模型构建的基本流程如图1所示。

为了更加全面细致的完成时序分析，保证相应的芯片和设备可以适应不同的工作环境，在设计环节不仅需要考虑理想工况，还应该考虑最差的情况和一些典型情况，结合不同的输入驱动能力和输出负载，进行所有单元的SPICE模拟，得到相应的时序参数。以常规0.18 μm工艺库为例，主要是在最快、最慢和典型三种不同工况下，分析对应的输出荷载以及输入信号的渡越时间，结合路径敏化信号，测量得到相应的延时数据。上述三种工况的相关参数分别为：最快工况FF，温度0 ℃，电压1.98 V；最慢工况SS，温度125 ℃，电压1.62 V；典型工况TT，温度25 ℃，电压1.8 V[1]。

2 传输管PT查找表模型构建

2.1 版图前期准备与网表准备

在对传输管PT的查找表模型进行时序建模前，需要做好必要的准备工作，包括版图设计规则检查（DRC）、电气规则检查（ERC）以及版图原图的对照验证（LVS）。在检查验证完成后，如果确定版图以及相应的原理图准确可靠，则可以从版图中导出相应的gds网表pt.gds，同时从原理图中导出cdl网表pt.cdl，为后续的完全版图原理图对照验证做好相应的准备。

2.2 版图原理图对照验证

从保障模型准确性和可靠性的角度分析，版图和逻辑图都必须经过LVS验证，以确保从中提取出的各种寄生参数能够准确的在逻辑网表中反标出来。LVS的基本原理，是将从版图中导出的gds网表与从原理图中导出的cdl网表进行对比，使得版图中的单元和线网可以与逻辑图中的单元、线网一一对应。在准备阶段，LVS仅仅是顶层单元逻辑与版图功能的一致性进行判断，而完全LVS验证则更进一步，要求基本的物理单元和逻辑单位必须能够实现端口匹配，同时逻辑等效端口不能随意交换。结合传输管本身的逻辑图和版图分析，可以明确，在版图上，应该将完整准确的端口文本信息标注出来，同时确保相关端口与逻辑图的高度一致。

考虑到单元本上结构单一，并不存在层次化的设计，因此仅仅需要一次晶体管级的LVS，就可以达到预期的目标。不过，如果是在其他系统层次相对丰富的单元，晶体管级的LVS不再适用，需要分别运行单元机LVS和黑盒级LVS。结合Synopsy Hercules 软件，在完全LVS验证得到成功执行后，对应的工作目录中会自动生成XTR视图目录，确保寄生参数提取程序STAR-RC的顺利运行。

2.3 寄生参数提取

完成版图原理图的对照验证后，根据验证结果，可以得到物理版图与逻辑电路之间的对应关系，结合这一对应关系，参照生产厂商提供的工艺文件，可以对版图中存在的互连线的寄生参数进行有效提取，提取出的参数不仅包括了连线本身的电容和电阻，还包括了不同连线之间的耦合电容。对于寄生参数的提取，采用的是Synopsy Hercules 中的STAR-RC程序，其在软件中的调用指令为：>StarXtractgui。在进行寄生参数的提取操作时，应该注意必须将XREF重新设置为“YES”，将CELLTYPE设置为SCHEMATIC，因为通过这样的设置，可以确保提取出的层次化数据结构以及单元的名称均保持与原理图一致，如果没有设置，则软件会结合版图对其进行自动命名，而实践证明，当数据结构和单元名称与原理图保持一致时，后续的检查以及端口电容计算都会更加简单。寄生参数提取命令被成功执行后，可以得到附带有寄生参数的HSPICE网表文件，命名为Test.spf。

2.4 单元板图的时序模型

完成寄生参数的提取操作，得到相应的HSPICE網表文件后，利用网表，可以构建针对单元时序路径的测量文件，然后建立相应的时序信息。结合路径敏化的实际需求，从查找表本身的格式着手，再加上相应的激励，可以在相对合理的范围内，为每一个文件添加不同的负载以及不同的时间索引点，从而实现在典型工况下的测量工作。相比较其他电路，传输管的电路非常简单，仅仅包含有一条时序路径，因此在进行处理的过程中，只需要考虑数据输入端的上升和下降两种情况。结合Synopsy的HSPICE软件，可以实现对上述情况的瞬态分析。

在测量过程中，由于输入添加的负载较小，单元驱动力较强，可能会出现负数测量结果，属于正常现象。依照查找表模型依次填入测量数据后，就能够得到时序模型。

3 结 语

总而言之，在进行数字化设计时，应该选择相对准确的时序模型，做好必要的静态时序分析工作，以更加高效的实现对于设计的时序验证，结合时序分析结果对设计方案进行改进，保证设计的合理性和有效性。

主要参考文献

[1]程加力.射频微波MOS器件参数提取与建模技术研究[D].上海：华东师范大学，2012.