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MIEL – CBN – L3

MIEL – CBN – L3. Méthodes de caractérisation. plan. Exercice corrigé Méthodes de caractérisation Signal CMOS Signal standard Temps de propagation et de transition Capacité maximale de charge Puissance consommée Simulateur électrique Eldo. La cible technologique.

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Presentation Transcript

  1. MIEL – CBN – L3 Méthodes de caractérisation ENST Paris – COMELEC – Jean Provost

  2. plan • Exercice corrigé • Méthodes de caractérisation • Signal CMOS • Signal standard • Temps de propagation et de transition • Capacité maximale de charge • Puissance consommée • Simulateur électrique Eldo ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  3. La cible technologique • Fondeur AustriaMicroSystems CMOS 0,35µm • http://www.austriamicrosystems.com/ • Fondeur STMicrolectronicshttp://www.stm.com/ • Technologie CMOS 90nm • Niveaux métal = 7 • Alimentation VDD = +1V • Nb de masques = 33 (dont 1 poly) • Paramètres techno = typique • Température = 25°C • Modèle MOS = BSim3v3 ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  4. La cible technologique valeurs des paramètres technologiques Ldf = 0,1µm Vdd = +1V tox = 2nm Wdf = 0,5µm C’ox = 17,7fF µm-2 Ljdf = 0,5µm VT0N = +0,26V VT0P = -0,22V kn = 492 µA V-2 kp = 172 µA V-2 LD = 9nm LD = 5nm C’j0n = 1,0fF µm-2 C’j0p = 0,95fF µm-2 C’j0wn = 0,3fF µm-1 C’jw0p = 0,3fF µm-1 ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  5. G G S D CGB CGSO CGDO B B S D CGC Ids CGB  CjD CjS CCB B Modèle capacitif du transistor MOSschéma du circuit équivalent ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  6. Modèle capacitif du transistor MOSquelques équations! e0erox CGC = W L tox 1 CGB = ––––––––––– e0erSi 1 1 CCB = W L ––– + ––––– xd(Vgb) CGCCCB(Vgb) CGD = CGS ½ C'ox W L CDB = CSB = C’jW Lj + C’jw 2(W+Lj) ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  7. Vgs = 0  VT0N Ids = 0 Vgs = Vdd > VT0N Vds  0+ 0 < Vds < Vdssat Vds = Vdssat = Vgs - VT0N Vds > Vdssat Le courant Ids du NMOS (résumé) quelques équations! ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  8. Exercice: amplification logiqueoptimisation du temps de propagation Ln = Lp = Ldf tp Wnu = Wdf 2 Wp = Wn*psn u k = µ0*C’ox CL=100Ceu Si: VT0N = |VT0P| kn psn = (équilibrage) kp Wn2 = Wnu*kw ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  9. Exercice: amplification logiqueproblématique tp 2 tpal = tpINVu + tpINV2 u CL tpINVu = tpu + dtpu*CeINV2 tpINV2 = tp0INV2 + dtpINV2*CL tp0INV2 ? tpu, kw dtpINV2 ? dtpu, kw CeINV2 ? Ceu, kw ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  10. Exercice: amplification logiqueCeu, Ceinv2 Ce = CGCN + CGCP Ceu = C'ox*Ldf*Wdf*(1+psn) u 2 Ceinv2 = C'ox*Ldf*Wdf*kw*(1+psn) Ceinv2 = Ceu*kw ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  11. Exercice: amplification logiqueCsu, Csinv2 Cs = 2(CGDN+CGDP) + CDBN+CDBP Csu = C'ox*Ldf*Wdf*(1+psn) +Wdf*(C’j0N*Lj+C’j0wN*2(1+Lj/Wdf) +psn(C’j0P*Lj+C’j0wP*2(1+Lj/Wdf)) u Csinv2 = kw*Wdf*[C'ox *Ldf*(1+psn) + (C’j0N*Lj+C’j0wN*2(1+Lj/kw*Wdf) +psn(C’j0P*Lj+C’j0wP*2(1+Lj/ kw* Wdf)) )] 2 Csinv2 Csu*kw ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  12. Exercice: amplification logiqueRsu, dtpu, Rsinv2, dtpinv2 dtp = Rs  RDS0 u Rsud [kn*Wdf/Ldf*(Vdd-VT0N)]-1 2 Rsinv2 [kn*Wdf*kw/Ldf*(Vdd-VT0N)]-1 Rsinv2 = Rsu/kw dtpinv2 = dtpu/kw ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  13. Exercice: amplification logiquetp0u, tpu, tp0inv2 tp0 = Rs*Cs  RDS0*Cs u tp0u= tpu = Rsu * Csu 2 tp0inv2= Rsinv2*tp0inv2 = Rsu/kw*Csu*kw tp0inv2 = tpu ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  14. Exercice: amplification logiquekwopt tp 2 u CL tpal = 2*tpu + dtpu*(Ceu*kw + CL/kw) kwopt = VCL/Ceu CL = 100Ceu kwopt = 10 ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  15. Caractérisation: le signal CMOS • But de la simulation:être le plus «réaliste» possible • Exemple le signal CMOS: • Un générateur idéal • 2 inverseurs unitaires • Dimensions minimales: Wnu=Wdf, Lnu=Lpu=Ldf, • Équilibrés: u u Vg Ve ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  16. Caractérisation: le signal standard • Buts de la bibliothèque:être le plus «prévoyant» possiblesimplifier la conception de matériel • Exemple le signal standard: • Un signal CMOS • Un temps maximal de transition: ttmax • À l’intérieur du circuit: i : tti  ttmax, • ttmax: temps de transition (montée et descente) • à la sortie de 1 invu • chargée par 16 invu ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  17. le signal standard: ttmaxcaractérisation de la technologie u1 ttm=ttd=ttmax u2 u u u M=16 Vg Ve Vs u15 u16 ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  18. le signal standard: ttmaxsignal appliqué X Cei ttm=ttd=ttmax u u Vg Cx Ve Cx + Cei = 16*Ceu ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  19. tp = tp0 + dtp * Cext Cext = Cei  ei , sk : ttm  ttmax ttd  ttmax Ce sur chaque ei tp0 entre chaque [ei, sk] (en respectant ttmax) m et d dtp sur chaque sk (en respectant ttmax) Cextmax sur chaque sk (Cext telle que tt=ttmax) Caractérisation: quels paramètres? • Conditions • Conséquences ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  20. tpei = tpxe  Cei = Cxe tp tpxe tpxe tpei u u u Cxe Cxe Cei Caractérisation: la capacité d’entrée X Cei tpei u u u Vg ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  21. t ttk ttmax tp0ik + dtpkCext dtpk ttk tp0ik Cext Cextmax Cext Caractérisation: tp0, dtp, Cextmax X sk ei ttmax u u Vg Cx ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  22. P, t ttk ttmax Pvdd Cext X sk ei Cextmax ttk ttmax Vdd = u u Vdq = Cext Vg Cx Caractérisation: Puissance consomméeà vide en µW Mhz-1 À partir de Pvdd, comment calculer la puissance consommée à vide,alors que Cext n’est pas nulle? ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  23. Feuille de caractéristiquesdata sheet 0.35 µm CMOS NA2 table de vérité capacités Pin Cap [fF] A 8 B 10 A B Q 0 X 1 X 0 1 1 1 0 NA2 puissance aire 55 µm2 0.293 µW/MHz ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  24. Feuille de caractéristiquesdata sheet 0.35 µm CMOS NA2 Caractéristiques dynamiques: Tj = 27°C VDD = 3.3V Typical Process Rise Fall Slope [ns] 0.1 2 0.1 2 Load [pF] 0.015 0.15 0.015 0.15 0.015 0.15 0.015 0.15 Delay A => Q 0.11 0.59 0.32 0.88 0.11 0.49 0.23 0.83 Delay B => Q 0.12 0.6 0.37 0.9 0.11 0.49 0.16 0.69 Slew A => Q 0.31 1.87 0.69 2.09 0.18 1.09 0.65 1.5 Slew B => Q 0.34 1.92 0.75 2.13 0.18 1.09 0.6 1.39 ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  25. Paramètres typiques • Paramètres technologiques • « slow » • « typ » • « fast » • Température • 150°C • 27°C • Tension d’alimentation • Dégradéee: +0,8V • Nominale: +1,0V ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  26. Choix du jeu de paramètres Nombre de circuits validés Performance Rejetés parle fondeur slow fast typ ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  27. Simulateur électrique Eldodescription du circuit • Instanciation des éléments = Spice:commandes ne commençant pas par «.» • V = générateur de tension • R = résistance • C = capacité • M = transistor MOS • X = sous-circuit (déclaré dans .SUBCKT) • … ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  28. Simulateur électrique Eldocommandes principales • Commandes commençant par «.» • Bibliothèque des paramètres technologiques • .LIB ’/comelec/softs/opt/opus_kits/AMS/ams_v3.30/eldo/csx/cmos53tm.mod’ • Paramétrages des dimensions minimales • .PARAM ldf=.35u wdf=1.u ljdf=1.u alm=+3.3 kdf=2.4 • Variables électriques à sauvegarder • .PROBE TRAN V(e) V(s) I(Vis) I(Vdd) • Simulation en régime transitoire • .TRAN .1p 2n • Multi-simulation • .STEP PARAM kdf 1 5 .5 • Extraction de paramètres • .EXTRACT TRAN LABEL=nom_du_tableau-de_valeurs … ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  29. 0,9*alm 0,1*alm tms tds Simulateur électrique Eldoextraction de paramètres • temps de transition en montée: • … LABEL= tms TRISE (V(sortie), VL={alm*0.1}, VH={alm*0.9], OCCUR=1) • temps de transition en descente: • … LABEL= tds TFALL (V(sortie), VL={alm*0.1}, VH={alm*0.9], OCCUR=1) tension du nœud « sortie » alm temps 0 ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  30. Simulateur électrique Eldoextraction de paramètres • temps de propagation à la montée (logique impaire): • … LABEL= tpm TPDDU (V(entree), V(sortie), VTH={alm*0.5}, OCCUR=1) tension alm entree ½*alm temps 0 alm sortie ½*alm 0 temps tpm ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  31. Simulateur électrique Eldoextraction de paramètres • temps de propagation à la descente (logique impaire): • … LABEL= tpd TPDUD (V(entree), V(sortie), VTH={alm*0.5}, OCCUR=1) tension alm entree ½*alm temps 0 alm sortie ½*alm 0 temps tpd ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  32. Simulateur électrique Eldoextraction de paramètres • temps de propagation à la descente (logique paire): • … LABEL= tpd TPDDD (V(entree), V(sortie), VTH={alm*0.5}, OCCUR=1) tension alm entree ½*alm temps 0 alm sortie ½*alm 0 temps tpd ENST Paris : MIEL_CBN_L3

  33. Simulateur électrique Eldoextraction de paramètres • temps de propagation (logique différentielle): • .DEFWAVE ediff={+V(e)-V(eb)} • .DEFWAVE sdiff={+V(s)-V(sb)} • … LABEL= tpm TPDDU (W(ediff), W(sdiff), VTH={0}, OCCUR=1) tension alm e ½*alm eb 0 temps s alm ½*alm sb 0 temps tpm ENST Paris : MIEL_CBN_L3

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