Разработка автоматизированной системы проектирования интегральных цифроаналоговых
преобразователей.
Ионов
Леонид Платонович,
аспирант кафедры “Информационных
технологий и вычислительных систем” Московского Государственного
Технологического Университета «Станкин»,
инженер ФГУП ИТМиВТ.
Рассмотрена задача проектирования интегральных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Предложены методы автоматизации проектирования, основанные на использовании схемотехнического моделирования, параметрической оптимизации и искусственного интеллекта. На базе предложенных методов и алгоритмов разработана автоматизированная система проектирования DAC Compiler.
1.
Введение.
В современных аналого-цифровых интегральных схемах (ИС) аналоговые блоки обычно занимают сравнительно малую часть площади кристалла, при этом их разработка требует непропорционально большего времени и усилий разработчиков. В цифровых ИС широко используется синтез схемы на основе описания на языке высокого уровня, а также автоматическое размещение и трассировка топологии. По примеру цифровых ИС во многих работах [1, 2] было предложено использовать синтез электрической схемы и для аналоговых блоков. Данный подход применим для широкого класса наиболее часто используемых аналоговых блоков. В то же время универсальность описываемого метода влечет за собой и один существенный недостаток: он не учитывает специфику каждого конкретного типа схем. Второй, более современный подход [3, 4], состоит в разработке ряда инструментов синтеза, каждый из которых оптимизирован для конкретного типа устройств (аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП, операционные усилители и т.д.).
Независимо от того, разрабатывается система для универсального использования или для специфического класса схем, есть 3 основных подхода к её построению [5]:
- системы на основе продукционных баз знаний;
- системы на основе использования мягких вычислений для решения задач параметрической оптимизации и топологического синтеза;
- комбинация перечисленных выше подходов.
В данной работе разрабатывается специализированная система автоматизированного проектирования интегральных цифроаналоговых преобразователей, основанная на применении комбинационных методов построения.
2.
Алгоритм автоматизированного проектирования интегральных цифроаналоговых
преобразователей.
На рис. 1 представлена структурная схема
процесса проектирования блока ЦАП в среде разрабатываемой системы.
Исходными данными для проектирования являются: проектные ограничения, технологическая информация, разрядность ЦАП, напряжение питания, скорость преобразования, линейность и т.д. Начальное решение, на базе которого будет выполняться оптимизация, выбирается программой автоматически из библиотеки схемотехнических решений. Данная библиотека является открытой и может дополняться и редактироваться.
Для оценки характеристик получаемой схемы используется 3 типа анализов:
1. Схемотехническое моделирование на уровне транзисторов
2. Поведенческое моделирование
3. Аналитические формулы и выражения
При схемотехническом и поведенческом моделировании могут использоваться наиболее распространенные системы моделирования: HSPICE и Spectre.
Рис. 1.
Структурная схема процесса проектирования блока ЦАП в
среде разрабатываемой системы.
Проектная параметрическая оптимизация не является чем-то новым при разработке аналоговых схем [6]. Тем не менее, оптимизация схем ЦАП представляет собой особую задачу. Особенность состоит в том, что часть ограничений носит целочисленный характер. Оптимизация выполняется методами целочисленного нелинейного программирования. В результате получаем оптимизированное схемотехническое описание модуля ЦАП.
На этапе проектирования топологии первоначально формируется требуемая геометрия элементарных ячеек (источников тока, источников смещения, переключателей и т.д.). Размещение элементарных ячеек и блоков, а также их трассировка осуществляется с использованием существующих методов, адаптированных к построению топологии ЦАП [7].
Физическая верификация используется для проверки соответствия топологии конструкторско-технологическим ограничениям и исходной электрической схеме. Также на данном этапе производится моделирование блока ЦАП с учетом экстрагированных паразитных элементов.
3. Заключение.
В данной работе представлено описание специализированной системы автоматизированного проектирования интегральных цифроаналоговых преобразователей. В процессе данной работы была создана экспертная система проектирования модулей ЦАП, включающая базу данных схемотехнических и топологических решений; разработана специализированная целевая функция для проведения оптимизации, учитывающая специфику функционирования блоков ЦАП; разработана среда для проведения моделирования и оценки характеристик синтезируемой схемы; реализованы методы автоматического размещения и трассировки топологии.
Литература.
1.
Gielen G.G.E, Walscharts
H.C.C, and Sansen W.M.C. Analog circuit design optimization
based on symbolic simulation and simulated annealing. IEEE J. Solid-State
Circuits, June
1990, vol. 25, no. 3, pp. 707-713.
2.
Cohn
J.M., Garrod D.J., Rutenbar
R.A., and Carley L.R. Techniques for simultaneous
placement and routing of custom analog cells in KOAN / ANAGRAM II. Proc. Int.
Conf. on Computer-Aided Design. November 1991, pp. 394-397.
3.
Neff
R.R. Automatic Synthesis of CMOS Digital/Analog Converters. Ph.D. dissertation.
4.
Iskander R. Synthesis of CMOS analog cells using AMIGO.
Design, Automation and Test in
5. Зинченко Л.А. Интеллектуальные системы схемотехнического проектирования. / Десятая национальная конференция по искусственному интеллекту, Сентябрь 2006
6.
Yang
Xu, Pileggi L.T., Boyd S.P.
ORACLE: optimization with recourse of analog circuits including layout
extraction. / Design Automation Conference 2004, pp. 151-154.
7.
Arsintescu, B.G., Otten, R.H.J.M. Constraints space management for the layout
of analog IC’s. / Design, Automation and Test in
Поступила в редакцию 15.02.2008 г.