基于仿真数据的gmId模拟集成电路设计方案

基于仿真数据的gm/Id模拟集成电路设计方案

　　随着集成电路工艺的发展，MOS管电流平方率关系已经不能够准确达到手算的目的，于是有人提出了基于仿真数据的另一种模拟集成电路设计方法，也就是今天介绍的gm/Id的模拟电路设计方法。

　　gm/Id的原理传统的基于MOSFET器件的模拟集成电路设计流程是首先选择合适的电路结构，然后根据设计参数确定晶体管尺寸并且通过指标要求调整晶体管尺寸到合适值。

　　但是在传统设计中，根据参数计算出的MOS管尺寸往往与最终值偏差很大，所以一次设计需要经过多次迭代才可能达到设计指标要求，这就加长了产品设计的周期。

　　基于gm/Id参数的模拟集成电路设计方法被提出来解决这一问题，这种方法将特定工艺下的器件仿真结果与手算公式相结合，通过计算机仿真辅助手算，可以保证电路设计前期手算的准确性，加速电路设计迭代。

　　从另一方面来看，基于gm/Id的设计方法与传统设计中采用的过驱动电压 具有相同的属性，所以同样适用于长沟道工艺。

　　根据平方率公式可以推导：gm/Id = ，也就是说以gm/Id为参数设计电路实际上是间接选取了MOS管的过驱动电压。

　　gm/Id参数可以反映出器件的工作区域，选取不同的gm/Id值实际上是电路在功耗与速度之间的折中（参考EE214课件）。

　　基于gm/Id的参数设计方法是通过仿真器输出器件不同工作状态下各种参数的数据，然后用户根据需要从已有结果中做出选择，这种方法叫做look-up table，中文称作查找表。

　　基于gm/Id的参数设计方法特别适用于低功耗设计，是MOS管工作在亚阈值区（前提是器件模型要准确）的一种有力设计方法。

　　以上介绍了基于gm/Id的设计优势和实现原理，这种方法可以使手算结果与仿真结果更贴近，下面介绍该方法需要使用到的仿真和参数。gm/Id需要用到的参数虽然说gm/Id的设计方法基于仿真结果，但是最基本的前提是对电路有一定的理解和手算能力。

　　以OTA设计为例，需要了解比如：增益、零极点、功耗、摆率等指标的计算表达式，在此基础之上才能开始设计。脱离理论分析基础的模拟集成电路设计是无法长远的。

　　在有了理论分析基础之后，可以使用gm/Id的方法开始设计，首先需要通过仿真确定不同尺寸、不同工作状态下的MOS管各个参数。

　　跨导效率：我们上文提到的gm/Id参数，被称为跨导效率（也被称为电流效率），它表现了MOS管跨导的大小。

　　本征增益：MOS管的小信号阻抗与跨导的乘积，其值为：gm/gds或者gm*rout，本征增益反映了该器件所能提供的最大增益。

　　沟道长度调制系数：该系数被定义为：gds/Id，短沟道效应在小尺寸的工艺中影响显著，并且该系数与沟道长度有很强的相关性。设计时可以首先根据沟道长度L，确定出该系数的值。

　　归一化电流：也被称为电流密度，其值为：Id/（W/L），设计时可以根据这个值确定MOS管的具体尺寸。

　　截止频率：代表器件工作的最高频率，其值为：gm/（2*pi*cgg）或者fug，与器件的过驱动电压、尺寸等有关。

　　通过仿真确定上面参数与gm/Id之间的关系之后，可以从某个设计指标着手开始设计电路。

　　其中每个参数与其它参数之间都相互联系，电路修调时也要注意各个参数之间的约束关系。gm/Id的仿真gm/Id的设计方法基于仿真结果，所以上面提到的MOS管参数都需要从仿真结果中提炼出来，并绘出gm/Id这个参数与其它参数之间的关系曲线。

　　首先，由于这些参数曲线与MOS管的栅宽和源漏电压关系很小，所以以一定的栅宽和源漏电压作为仿真条件，对MOS管栅极电压进行直流参数扫描。

　　为了保存MOS管所有有用数据还需要在仿真环境中使用脚本，关于脚本的内容会在后面具体介绍。

 

 

仿真结果输出设置如下面所示，其中各个参数的表达式均通过仿真器中的计算器计算出来。

 

 

仿真后的数据经过处理可以分别得到gm/Id与其它参数的曲线，在后面设计中，即可通过确定的gm/Id值从曲线中找出其它参数，并确定MOS管尺寸。

 

 

通过仿真计算，gm/Id参数与其它参数的关系曲线如上图所示（NMOS），在设计中需要进一步获取不同器件尺寸对应的曲线簇，有利于帮助确定满足指标的器件尺寸取值，具体内容会陆续介绍。