Basera komponentmodellerna på den faktiska halvledarprocessen och inte på ett antal uppmätta komponenter. Då lyckas du bättre med din analoga högfrekvens-asic. Det hävdar man i alla fall på Maxim.

Den amerikanska halvledartillverkaren Maxim har tagit fram ett utvecklingsverktyg för analoga asicar med namnet Analog Design System. Företaget hävdar att verktyget löser flera problem.

Att en analog högfrekvens-asic inte fungerar beror normalt på en av följande sex orsaker:

1) Modellen avspeglar inte hur kretsen uppför sig under verkliga driftsförhållanden. Exempelvis kan en bipolär transistor användas med andra spänningar och strömmar än vid karakteriseringen. Tillverkningsprocessen kan också förändras med tiden så att modellen inte längre motsvarar verkligheten.

2) Simuleringarna kan ge felaktiga värden under vissa förhållanden eller klarar helt enkelt inte av att simulera alla driftsförhållanden.

3) Dåligt avvägda konstruktioner kan medföra att komponenten används under driftförhållanden utanför det specificerade området.

4) Fel i layouten leder till att kretsen inte motsvarar det som simulerats. Att kontrollera layouten mot den simulerade kretsen är alltid nödvändigt.

5) Parasiteffekter. Layouten ger alltid upphov till olika typer av parasiter, det kan exempelvis vara induktansen i bondtråden eller kapacitiva parasiter i lödön eller kapseln. Parasiter som inte alltid kommer med i simuleringarna.

6) Bristande överensstämmelse mellan den erforderliga prestandan och simuleringsresultatet.

Ett bra konstruktionsverktyg för högfrekventa analoga asicar kan till stor del eliminera de första fem problemen, men dock inte nödvändigtvis det sista. Ett sätt att lösa det problemet är att låta konstruktören själv påverka komponenternas geometrier.

Snabbt eller minimalt

Maxims konstruktionsverktyget ger två valmöjligheter. Antingen kan konstruktören välja att skräddarsy alla detaljer, Full Custom, eller så kan han eller hon utgå från en krets med en uppsättning transistorer, dioder, resistanser och kapacitanser kallad QuickChip.

Med det skräddarsydda alternativet går det att styra alla lager i halvledarprocessen liksom transistorernas geometrier. Metoden passar därför bra när kretsen ska tillverkas i stora volymer och det är väsentligt att minimera chipsytan för totalkostnaden.

QuickChips är ett mer ekonomiskt alternativ vid små och medelstora serier. Man kan i princip se metoden som en analog motsvarighet till en grindmatris.

Färdiga komponenter kopplas ihop av de två metallager som konstruktören kan styra. Dessutom kan nickel-kromresistanser adderas på ytan.

Komponentmodellerna baseras på den fysiska utformningen och processparametrar. Detta är stor skillnad mot parameterextraktion, som är den vanligaste metoden. Genom att basera modellen på processen blir det lättare att bibehålla komponentmodeller som motsvarar den faktiska processen.

Både layout och simulering

Konstruktionsverktyget Analog Design System har både layoutdel och simulator. Den senare kallas Tekspice 2 och är en modifierad version av den klassiska Spice-simulatorn som är särskilt anpassad för högfrekvenssimulering.

Bland annat kan simulatorn ta hänsyn till temperaturen inom intervallet -55 till +125°C. Tekspice 2 kan också efterbehandla resultaten med bland annat Fouriertransformen. Resultaten kan visas i ett Smithdiagram.

Efter simuleringen körs programmet Querc, som kontrollerar att konstruktionsreglerna följts. Bland annat kontrolleras att förspänningarna inte överskridit det tillåtna intervallet.

På så sätt kan man undvika katastrofala fel som omvänd polaritet eller för hög förspänning. Man kan också hitta felaktigheter som efter en tid kan leda till att kretsen upphör att fungera, som att allt för mycket effekt koncentreras på för liten yta. Querc upptäcker också om förspänningen ligger utanför modellens område.

Layout- och verifieringsverktyget, som kallas QuicKic, klarar både skräddarsydda konstruktioner och konstruktioner gjorda i QuickChip. Konstruktörer av digitala asicar är vana vid automatisk ledningsdragning men vid analog konstruktion måste mycket av arbetet göras manuellt eftersom ledningsdragningen kan påverka funktionen.

QuicKic förhindrar att ledare dras över förbjudna områden eller att ledare ansluts till felaktiga ställen.

Att nickelkrom-resistanser med godtyckligt värde dessutom kan läggas ökar flexibiliteten avsevärt, eftersom de resistanser som ingår i byggblocket har fixa värden.

Layoutreglerna kontrolleras

I QuicKic finns också ett verifieringsverktyg som kontrollerar att layoutreglerna följts. Verifieringsverktyget beräknar parasitkapacitanser och resistanser. Dessa matas sedan tillbaka till kretssimulatorn. Till sist görs en simulering för att verifiera att layouten och parasiterna inte påverkat konstruktionen.

Med QuicKic-systemet har över 90 procent av konstruktionerna fungerat redan efter första konstruktionsvändan.

Som exempel kan nämnas att två studenter utan konstruktionserfarenhet lyckades konstruera en drivkrets till ett 622 Mbit/s fiberoptiskt kommunikationssystem åt en större telekomtillverkare.

Konstruktionen fungerade direkt och företaget som räknat med att studenterna skulle misslyckas, tvangs tacka nej till pengar man beviljats för att göra en omkonstruktion.

David Watson Shuan Simpins Hans Dropmann Scott Williams Författarna arbetar på Maxim.

Artikeln är översatt och bearbetad av Per Henricsson.