Глава 3. Применение спроектированных параметризованных аналоговых ячеек второго уровня в составе базовых блоков.
Аналоговые ячейки второго уровня, такие как матрицы согласованных конденсаторов, аналоговые ключи, токовые зеркала, дифференциальные пары и др., широко используются при проектировании интегральных микросхем, работающих в широком диапазоне питающих напряжений. Они входят в состав базовых блоков, таких как источники тока, компараторы, операционные усилители, интеграторы, дифференциаторы, схемы выборки-хранения, пиковые детекторы, УВХ, разные фильтры и другие.
На основе созданных на языке SKILL аналоговых ячеек второго уровня нами были построены компаратор, операционный усилитель и УВХ, как наиболее распространенные и широко используемые в современных устройствах базовые блоки.
В дальнейшем спроектированные с использованием созданных аналоговых ячеек второго уровня базовые блоки могут применяться в составе СФ – блоков, СБИС, системах на кристалле и т.д.
Компаратор.
На основе созданных ячеек был построен компаратор, схема которого представлена на рисунке 3.1. В его состав входят токовые зеркала и дифференциальные пары, которые требую хорошего согласования элементов для достижения необходимых характеристик устройства.
Рис.3.1. Схема компаратора.
На создание топологического эскиза согласованных ячеек уходит большая часть времени. На рисунке 3.2 представлена топология компаратора, созданная вручную.
Рис.3.2. Топология компаратора, созданная вручную с нуля.
На рисунке 3.3 представлена топология того же компаратора, построенная на основе параметризованных ячеек второго уровня, таких как токовые зеркала и дифференциальные пары.
Рис.3.3. Топология компаратора на основе параметризованных аналоговых ячеек второго уровня.
Как видно из рисунков 3.2 и 3.3 компаратор, созданный вручную, занимает меньшую площадь. Проведем численный расчет площадей и найдем их разницу.
S1 = 60*38 = 2280 мкм2 - площадь компаратора, созданного вручную.
S2 = 47*40 = 1880 мкм2 - площадь компаратора, созданного на основе параметризованных аналоговых ячеек второго уровня.
Мы получили, что площадь компаратора, созданного на основе параметризованных ячеек второго уровня, на 17% больше. При этом зафиксировано уменьшение времени проектирования данного устройства примерно в 3 раза.
Операционный усилитель.
На рисунке 3.4 приведена схема операционного усилителя. В его состав сходят 3 токовых зеркала и 2 дифференциальные пары.
Рис.3.4. Схема операционного усилителя.
Для данного блока была спроектирована топология, которая показана на рисунке 3.5. Для построения были использованы созданные нами на языке SKILL токовые зеркала и дифференциальные пары, элементы которых перемешаны и соединены по всем правилам согласования. Данные ячейки также имеют элементы защиты от паразитных структур, вносящих погрешности в работу схемы.
Рис.3.5. Топология операционного усилителя на основе параметризованных аналоговых ячеек второго уровня.
При проектировании блоков, состоящих из большого количества ячеек, которые требуют максимального согласования элементов, большая часть времени уходит именно на согласование. Поэтому при использовании созданных нами параметризованных ячеек, в которых учтены все правила согласования, было зафиксировано сокращение времени проектирования, как отдельных блоков, так и всего кристалла.