автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация аналоговых интегральных схем в интегрированной САПР

Для служебного пользования Экз.

На правах рукописи

БАЧУРИН Вячеслав Иванович

.МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АНАЛОГОВЫХ. ИНТЕГРАШШ: , СХЕМ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ САПР

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации Проектирования.(промышленность)

А'В ТОР Е Ф Е Р.А Т •диссертации на соискание ученой степени ' доктора технических наук

Воронеж'1995

>

'Г

/

Гг

:Г

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Зацепина С.А., доктор технических наук, профессор Кофанов Ю.И., доктор технических наук, профессор Остапенко А.Г.

Ведущая организация: НШ полупроводникового

машиностроения (г.Воронеж)

Защита состоится " 2tn апрФл*. J995 г> в сов на заседании диссертационного совета Д 063.81.02 Во -ронежского государственного технического университета ~ по адресу: г.Воронеж, Московский пр., 14. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

¿Q

Автореферат разослан н " та._1995 г<

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАДОННОВ) CQBß

ЛЬВОВИЧ Я.Е.

0Ы1АЯ .ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время существует немало различных отечественных и зарубежных систем •автоматизированного проектирования (САПР) электронных устройств. Общим недостатком интегрированных САПР аналоговых интегральных схем (АИС), несмотря на высокоразвитую организацию технических средств, является слабое информационное обеспе--чение, что связано с отсутствием математического описания элементов ИС и затрудняет создание библиотек или баз данных САПР АИС. .

Эффективность АИС во многом определяется современным схемотехническим базисом, основными элементами которого являют -ся биполярные и полевые транзисторы (£Т и ПТ), транзисторы с инфекционным питанием (ТИП), каскодные схемы (КС) и т. д. Принципиально новым является.такой подход к проектированию АИС, когда за счет совместного применения низкопотенциального режи-. ма работы ТИП и безусловно устойчивых KG можно обеспечить микромощное энергопотребление и безусловную устойчивость усила -тельных устройств. Поэтому решение важной проблемы создания 'математического и информационного обеспечения для интегриро -ванной САПР АИС на основе моделирования микромощных ТИП и безусловно, устойчивых КС является актуальным для реализации "САПР Al'C. - '

. Н? а у ч н а я 'п р о б л в « а, решаемая в диссертационной работе, формулируется следующим-образом: разработка, моделей потенциально устойчивых микромощных инфекционных структур и интегрированной;САПР с применением методов параметрической .оптимизации двд обеспечения максимально возможного устойчивого усиления а'минимального^энергопотребления АИС.

.Цель :р а б о .т ы: - разработка математического и информационного обеспечения САПР АИС и внедрение в промышленность комплекса новых схемотехнических и топологических решений по шкромоядам"инже::ционным структурам и усилителям на их основе, алгоритмов'а программ автоматизированного проектирования,обеспечивающих высокие показатели качества аналоговых микроэлектронных устройств./ . ' •

Решейиа научной проблемы, связанной с поставленной целью, включает в' себя следующие задачи.

2 .

1. Обоснование методологии автоматизированного проекти -рования на основа принципов оптимальности схем и параметров АИС, оптимальной с ерийноспос обности и адекватности моделей транзисторов.

2. Исследование моделей инжекционных структур для низкочастотного и высокочастотного диапазонов а установление воз -модности управления параметрами А1'С с Ш изменением конструк-тпвно-топологических характеристик иннекциошых структур,

3. Теоретическое обоснование оптимальных КС для различных АИС с Ш.

4. Разработка схемотехники потенциально устойчивых в высокочастотном диапазоне схем инжекционных структур и АИС с Ш.

5. Создание методов идентификации параметров моделей инжекционных структур на основе экспериментальных данных, полученных в результате измерений статических и динамических характеристик тестовых образцов ТИП.

6. Определение алгоритмов оптимизации параметров АИС с ИП по конструктивно-топологическим характеристикам инжекционных структур и алгоритмов статистической оптимизации параметров АИС с 1Ш для получения максимального процента выхода годных изделий.

7. Разработка структуры организации программного обеспечения САПР АИС с ИП, диалоговых процедур параметрической идентификации моделей компонентов этих схем.

8. Исследование и разработка архитектуры САПР АИС с ИП на основе системного анализа процесса проектирования, общесистемных принципов создания САШ3 и анализа основных функций системы.

9. Практическое применение системы САПР х .з проектирования АИС с ИП и статистической оптимизации их параметров.

Решение вышеуказанной проблемы проводилось в соответствии с планом исследований по естественным наукам на 1981-1985 и 1988-1993 гг.;. утвержденным Президиумом АН СССР и ГКНТ СССР (проблема 1.12.12.1 - Теория построения принципов автоматизированного проектирования); координационным планом по КНТП "САПР" Минвуза РСФС1' (приказ № 254 от 9.04.87 г.) по заданию 9.4.14 "Разь^тие подсистемы моделирования дискретных компонентов аналоговых и цифровых рлектронных схем"; межвузовской комплексной программой "Технология микроэлектронной аппаратуры средств свя-

о

зи" на 1986-1990 гг.; межвузовской целевой НТП на 1987-1990 гг. и на период до 2000 года ..Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения" (приказ Минвуза РСФСР й 485 от 6.07.87 г.) по заданию 03.21 "Разработка методов оценки надежности, принятия проект -ных решений.на основе экспертных систем"; планом госбюджетных НИР кафедры САПР Воронежского государственного технического. ушверситета 1985-1994 гг. выполненных в соответствии с научным направлением Воронежского государственного технического университета -"Разработка и внедрение математических мето -дов и алгоритмов управления сложными объектами и системами*

Тема диссертации связана с 14 научно-исследовательскими работами Воронежского государственного технического университета, выполненными при непосредственном участии автора диссертации. :

На защиту, выносятся следующие научные положения, полученные лично автором.

I. Снижение энергопотребления АИС и основы построения АИС

с ИИ:

аналитическое выражение для управления эффективным коэффициентом передачи ТИП варьированием конструктивно-топологи -ческами параметрами инфекционной структуры (шириной базы и площадью коллектора)являющееся,алгоритмом параметрической оптимязагрш АИС при автоматизированном проектировании; ■

создание линейного режима за счет формирования фиксиро -ванных токов и напряжений в цепях базы инжектора ТИП путем подачи в цепь базы усилительного транзистора смещения, равного напряжении в рабочей точке, или путем реализации расчетной величины тока инжектора при'заданных параметрах транзистора в граничном реадмэ;

формирование регулярных и нерегулярных каскодных инфекционных, структур, учитывающих определяющие факторы построения схем: стандартные схемы нормально н инверсно включенного транзистора, способы обеспечения.линейных режимов инжектора и усилительного транзистора, многоколлэкторность инжекционных структур;' ' '■ ' • '■'-.

схемотехническое построение на инжекционных структурах гхем генератора тока и"интегрального усилителя с оригинальными топологическими решениями. , .

2. Существенное повышение устойчивого усиления АИС при

. использовании структур КС на БТ и ИГ и условий реализации оптимальных параметров КС-для высокочастотных усилителей:

оптимальные структуры КС для узкополосных и широкополосных усилителей;

частотные области устойчивости КС и соотношения, при которых эти области наибольшие;

аналитические выражения для оптимальных режимов по по -стоянному току транзисторов и параметров их моделей, позволяющие определить минимум результирующего показателя качества узкополосных усилителей в виде взвешенной суммы четырех показателей качества - предельной частоты крутизны, модуля пря -мого проходного параметра, Активности и входного сопротивления;

аналитические выражения для оптимальных режимов по по -стоянному току транзисторов и параметров их моделей, позволяющие определить максимум площади усиления широкополосных усилителей.

3. Реализация интегрированной САПР АИС о Ш, включавдей в себя:

структуру организации информационного и программного обеспечения САПР АИС с ИП, основанную на параметрической идентификации моделей инжекционных структур и управлении их параметрами изменением конструктивно-тополо аческих характеристик ТИП;

методику идентификации параметров модели ТИП, использующую экспериментальное определение статических и динамических параметров инжекционных структур при применении оптимизационного метода оценка параметров и являщуюся ал"притмом параметрической оптимизации АИС при автоматизированном проектирова -нии; • "-■.'.'

' • подсистему статистической оптимизации параметров АИС с • ИП, основанную на использовании метода статистического моделирования и установлияяых закономерностях по статистическим ха-^ рактеристикай параметров АИС с ИД.

Научная новизна работл состоит в следующем.

I. В мало сигнальной модели БТ с ИП предложена зависимость

эффективного коэффициента передачи тока базы от.конструктивно-топологических параметров инжекционных структур, позволяющая осуществлять управление эффективным коэффициентом передачи при автоматизированном проектировании микромощных АИС с ИП.

2. Выполнена многокритериальная оптимизация всех возможных вариантов КС на ВТ и ДТ. и получены соотношения для их оптимальных режимов,'позволяющие упорядочить структуры КС по максимальной частотной области устойчивости и показателям качества для узкополосних и широкополосных усилителей.

3. Предложены способы и условия обеспечения линейного режима усилителей и новые структуры АИС с ИП, в том числе на основе каскодных схем включения транзисторов, 'отличающиеся от АИС с НГ резким уменьшением энергопотребления.

4. Разработана оригинальная методика идентификации модели ТИП, отличающаяся экспериментальным определением статических

и динамичеокшс параметров инжекционных структур и применением оптимизационных оценок параметров модели.

5. Обосновано построение САЦР АИС с ИП, отличающееся применением автоматизированных процедур, построенных на базе оригинальных результатов работы.

■ -6. На ТИП предложены и разработаны схем АИС с ИП в оптимальных ражимах, два'из которых защищены авторскими свидетельствами 'На изобретения.

. Практическая ценность работы. .Ошаченнйе выше научные результаты имеют конкретную прикладную, направленность, связанную как с. практической реализацией рассмотренных в. диссертационной работе структур АИС с ИП, так н е програмшо-техническш воплощением предложенных методик и алгоритмов в интегрированной САПР АИС с ИП. Существенной осо-. .бенностью решения этих прикладных задач является использова -

нив созданного методического обеспечения непосредственно для > проектирования базовых инлекционных структур и АИС с ИП.

• Практическое пршданениэ методического обеспечения позво-,. ■ лявт решать 'прй проектировании АИС с ИП следующие задачи:

создавать новые типы АИС с ИП на основе КС на биполярных и инжекционных структурах, обеспечивающих в оптимальных режимах показатели качества в несколько раз больше промышленных

но; / ••, ./'.■■;. . : -.

осуществлять не только расчет и оптимизации параметров АИС с ИИ, но и прогнозирование серийноспособности и диагностику годных ИС при их производстве.•

Все это приводит к сокращении в 1,5-2 раза сроков и стоимости проектных работ и повышает качество проектирования АИС, что явилось основанием для получения экономического эффекта от внедрения результатов работы.

Полученные научные результаты и методологические аспекты проектирования АИС с ИИ позволяют более эффективно построить разделы учебных программ ряда учебных дисциплин специальности САПР по автоматизации схемотехнического проектирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Схемотехническая, конструктивно-технологическая и программно-техническая реализация и внедрение результатов работы осуществлены на предприятиях электронной и радиотехнической промышленности (НПО "йлектроника", г.Воронеж; ШО "Заря", г.Воронеж), а также в ряде вузов страны (Воронежский государственный технический университет, Московский государственный институт электроники и математики).

При внедрении результатов диссертационной работы в промышленности (НИИ электронной техники НПО "Электроника", НИИ связи НПО "Заря") получен общий годовой экономический эффект 134 миллиона 200 тысяч рублей ( в ценах 1994 года).

А.про С а и, а я раб о г ы. Сен ¿ные научные и экспериментальные результаты диссертационной работы докладывались и обсуздаддсъ на 20 всесоюзных и республиканских конференциях, симпозиумах и семинарах: I Всесоюзной научно-технической конференции "Физические основы надежности и деградации полупроводниковых приборов*( Кишинев, 1982); Всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов" • (.Воронеж, 1984); Всесоюзной научно-технической конференции "Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении" (Москва, 1984); Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории,^ чувствительности электронных и электромеханических систем" (Москва,1985); Всесоюзном научно-техническом с„мшаре "Эффективно хь и надежность сложных технических систем" '.Москва, 1У85); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме "Надежность и качество в приборостроении и радиоэлектроника". (Москва, 1986);

о

11 Всесоюзной конференции " Прием и анализ оверхнизкочастоткых колебаний естественного, продсхоздения"(Воронек, 1987); научно-техническом семинаре "Современные проблемы обеспечения и повышения надежности преобразовательных и вычислительных устройств и систем "(Ыосква-Сухуш, 1988); зональной конференции' "Методы прогнозирования надежности проектируемых РЗА и ЭШ" (Пенза, 1988); Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых и специалистов "Интегрированные системы автоматизированного проектирования в гибких производственных системах" (Воронеж,1988); Республиканском семинаре "Машинные методы проектирования электронно-вычислительной аппаратуры" (Каунас, 1988); Республякан -ской научно-методической конференции "Ошт работы филиалов кафедр и роль в перестройка учебного процесса и улучшения качества подготовки, специалистов" (Воронеж, 1988); Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы создания интеллектуальных САПР РЭА и СБИС" (Воронеж, 1989); Всесоюзном.совещании-семинаре молодых ученых и специалистов "Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини-и микроОШ" (Воронеж, 1989); Всесоюзной научной конференции "Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем" (Владимир, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры" (Запорожье, 1990); Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированные системы обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры" (Москва-Львов, 1990); Все -•союзном совещании-семинаре "Интерактивное проектирование технических устройств и автоматизированных систем на персональных ЭВМ" (Воронек,. 1991); К Всесоюзном симпозиуме '"Эффективность, качество и надежность систем человек-машина" (Воронеж, 1992); Российской научно-технической конференции "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем"(Пенза, 1994). ,

В полном объеме научные результаты диссертационной работы и их реализация в. промышленности обсувдены и одобрены на тематическом семинаре "Системы .'радиотехники и автоматизации проектирования" Воронежского государственного технического университета, где выполнялась работа,.а также на заседании научно-технического совета 11ИЛ-33 Московского.государственного института электроники и математики.

•в

Публикация результатов работы.

По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения; научные труды опубликованы в центральных и республиканских, изданиях, а также изданиях, соответствующих перечням издатольств и издающих организаций, в которых могут публиковаться основные научные результаты , включаемые в докторские диссертации. Основное содержание работы достаточно полно изложено в 30 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из списка основных терминов и сокращений, введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Внутреннее единство работы отражено в структурном распределении материала по главам. В первой .-'лаве на основе классификации АИС и их элементов, анализа современных интегрированных САПР и тенденций их

развития сформулированы основные методологические принципы автоматизированного проектирования АИС с ИД, рассмотрены методы математического моделирования и оптимизации моделей элементов АИС с 11, выполнен анализ литературы и существующих программных средств и сформулированы задачи исследований, реализующие сформулированные методологические принципы. Теоретическая ц практическая реализация этих принципов содержится в последующих главах. Во второй главе представлены исследования по созданию

адекватных низкочастотной и высокочастотной математических моделей £Т с i'inj зависимостям их параметров от конструктивно-топологических характеристик инфекционных структур и статистическим характеристикам параметров ТИП; приведены разработанные базовые инжекционные структуры.'Третья глава посвящена анализу всех возможных вариантов включения транзисторов в КС и оптимизации параметров КС по совокупности показателей качества и площади усиления. В четвертой глава рассмотрены условия обеспечения о статического режима АИС на ТИП, схемотехника и. параметры АИС о ИП. Пятая глави содержит результаты исследований, позволяющих выполнить оптимизацию параметров АИС с ИП на основа конструктив-ь но-топологических характеристик базовых инжекционных отруктур,

идентификации параметров модели ТИП и статистических характеристик параметров АИС с ИП. В шестой главе содержится описание разработанных подсистем, функционирующих в среде интегрированной САПР АИС с Ш1: подсистемы автоматизированного проектирования и оптимизации АИС с ИИ, подсистемы статистической оптимизации параметров АИС и подсистемы прогнозирования надежности и диагностики качества АИС с ИП. Б седьмой главе приведены результаты экспериментальных исследований этих подсистом, конструктивно-технологической реализации и внедрения MC с ИП и подсистем автоматизированного проектирования в промышленности и учебном процессе. Приложения содержат варианты схемотехнического и топологического выполнения АИС и документы о внедрении результатов работы.'

Диссертация содержит 240 страниц машинописного текста, 95 рисунков и 20 таблиц; список литературных источников вкшо чает 166 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТА

I. ПРИНЩШ И МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АИС В ИНТЕГРИРОВАННОЙ

САПР

На "основу известной классификации АИС определен объект исследований - рапиочастотные АИС, функционирующие в пиапазоне частот, по .200 МГц с уровнями выхотгных мощностей 0,25... 250 мВт и микромощным - энергопотреблением от источников питания 0,01... 10 мВт (в расчете на опин усилительный каскатт). Работа АИС рассматривается в линейном режиме без учета шумов.

По типам транзисторов КС классифицированы на четыре класса: ЬТ-БГ, ПТ-НТ. ИТ-йТ, ЬТ'- БТ" (штрихи означают, что КС выполнена.на ЯГ различного типа или на одинаковых транзисторах, , но в различных режимах по. постоянно^ току). Каждый класс со -держит 36 типов КС в зависимости от схемы ключения транзисто -; ров. Усилители на ДТ по модулю прямого, проходного параметра на -.много'/поэтому'КС этого юпсса в работе не рассмат--•риваются.■MC о'обратным.включением транзисторов также исключены ■ из рассмотрения, поскольку результаты их исследований в фильтрах верхних частот достаточно полно опубликованы в литературе. С учетом. стандартных включений 31 по схемам с общим эмиттером (ОЭ),

■ 10 • общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и ПТ по схемам с обидам истоком (ОИ) и общим стоком (ОС) для последующего анализа определены тип КС в каадом из классов. В классе ПТ-БТ: 0.1-03, ОИ-ОБ, ОИ-ОК, ОС-ОЭ, ОС-ОБ; в классе Нг'- БТ"; ОЭ'- ОЭ", ОЭ1- ОБ", Ой'- ОК", ОБ'- ОЭ", ОБ'- ОБ", ОБ*- ОК", ОК - ОЭ", ОК' - ОБ"; в классе БТ-БТ: ОЭ-ОЗ, 03-0Б, СЭ-ОК, ОБ-ОЭ, ОБ-ОБ, : ОБ-ОК, ОК-ОЭ, ОБ-ОБ.

Метододогия исследований основывается на следующих прин-.ципах: принципе оптимальности схем и параметров АИС, применение которого обеспечивает при использовании методов оптимизации наилучше структурные построения схемотехнического базиса и его параметры, в том числе наименьшее энергопотребление и наибольшую устойчивость в частотном диапазоне; принципе оптимальной серийноспособности, реализация которого позволяет на этапе схемотехнического проектирования прогнозировать „максимальный процент выхода годных АИС при серийном производстве, ендкает трудоемкость и повышает качество проектирования; принципе адекватности моделей транзисторов, использование которого обеспечивает при моделировании АИС универсальность, точность и надежность САПР.

Для задач анализа и синтеза интегрированных САПР проанализированы существующие САПР АИС и методы параметрической и статистичоской оптимизации; подробно рассмотрены моделирующие эквивалентные схемы транзисторов и обосновано их применение

в САПР АИС.

Предложена структурная схема основных этапов формирова -ния описаний библиотечных элементов в интегрированной системе (рис.1).

Сфорлулированы задачи исследований, приведенные ранее в начале автореферата.

2. МОДЕЛ И ПАРАМЕТРЫ ШШЕЩЮНШХ СТРУКТУР

О

' ТИП по сравнению с обычным БТ характеризуется новой организацией цепи питания, позволяющей вводить подвижные носители заряда инжектирующим транзистором (генератором тока ) непосредственно в область базы усилительного транзистора. Это

позволяет отказаться от традиционного способа питания цепи базы и коллектора транзистора через резисторы, которые ограничивают ток, потребляешь от источника питания, рассеивая дополнительную мощность и поникая фактор качества устройства в целом. Функциональная интеграция рабочих областей ТИП существенно повышает компоновки элементов в кристалле благодаря со -кращению количества изолированных областей, вскрываемых отвер -стий под контакты и количества металлизированных внутрисхемных соединений. Увеличение ко степени интеграции является одним из наиболее эффективных способов повышения надежности АИС и микроэлектронной аппаратуры в целом.

В качестве низкочастотной модели ТИП выбрана модель Бергера и Видаана, полученная линеаризацией модели Эберса-*1олла и дополненная генератором тока в цепи эмиттера. В статическом и малосигнальном динамическом режимах получены основные соотношения для эквивалентного статического нормального и инверсных коэффициентов передачи, сопротивления эмиттера, сопротивления генератора и т.д. Экспериментальные исследования параметров ТИП показали, что их режимная и температурная стабильность на порядок выше, чем у обычных БТ.

Высокочастотная модель ТИП построена на основе линеаризации модели Логана, и содержит 12 статических и 7 динамических параметров. Оригинальной особенностью модели является взаимосвязь электрических и конструктивно-топологических параметров модели в виде

А I* 1*Къ Сх-д)

Рэ^=-г--— ' (I)

' 1 1й +- а Кг.

где /3,^ - эффективный коэффициент передачи тока базы ТИП; 1и >1к ~ токи инжектора и коллектора: К4 , Кд - коэффициенты пропорциональности, учитывающие рекомбинационные токи соответственно в области базового контакта и под коллектором усилительного транзистора ТИП; - коэффициент пропорциональности, определяющий влияние ширины базы X инжектора на усилительные свой-^ ства инжектора тока; ^ - коэффициент коррекци- . определяемый технологией и улубинами залегания рабочих областей Т'Ш.

Использование форцулы (4) позволяет осуществлять управле-' ние величиной [3 изменением конструктивно-топологических

о

параметров ТШ. Контроль значений нашал широкое приме-

нение при оценке качества И2Л -схем, содержащих цифровую и аналоговую части.

Разработана методика экспериментального определения данных коэффициентов в различных ракшах включения ТШ на тестовом кристалле, тлеющем различную кратность Я плоцади коллектора ТШ1 при определенных значениях X . Коэффициенты Кч , К}, , Кз я А являются варьируемыми конструктивно-топологическими параметрами ТШ и используются в дальнейшем дач параметрической оптимизации АИС с Ш1.

Проверка размерных величин коэффициентов Кл , К% , и Д на тестовых структурах- по -разработанной методике под -твердала линейную аппроксимацию зависимости электрических параметров ТИП от конструктивно-топологического исполнения структуры в области микротоков.

Б работе показано, что разнообразные схемотехнические решения усилительных устройств с Ш можно реализовать при применении 4 - базовых ишкэкцпонлых структур ТШ, которые разработаны в кристаллеи<рЕЯ -Ь" на основе стандартного технологического процесса НПО "Электроника" для биполярных И^Л-структур; они являются тестовыми ТШ со стацдартншл включением и используются в дальнейшем в качестве библиотеки базовых структур при автоматизированном проектировании АИС с ИП.

Установлено, что статистические характеристики У-параметров модели ТШ1 подчиняются логарифмическому нормальному закону, а ' К -параметров - закону Вейбулла. Корреляционные связи наиболее существенны между сопротивлением базы инжектора и коэффициентом усиления на рабочей частота,.

; . 3.' ОПТИМИЗАЦИЯ КАСКОЛНЫХ СХВЛ НА ТРАНЗИСТОРАХ

Для узкополосных усилителей на КС основными показателяш качества'выбраны: - предельная частота крутизны, на которой модуль прямого проходного параметра уменьшается в 1/2 раз по сравнению' со своим низкочастотны!,1 значением, КI - модуль прямого проходного параметра на постоянном токе, Кз~ активность, • — входное сопротивление; для широкополосных усилителей - нормированная "площадь- усиления. Основными варьируемыми napai.ieTpai.ffl являются нормированные токи коллекторов первого

14 •

и второго Ш и напряжение•на затворе ИГ. Ограничения накладываются на эти параметры, на параметры модели первого и второго транзисторов, на максимально достижимые показатели качества, на внутреннюю устойчивость при использовании иммитансного критерия устойчивости. Согласно данному критерию активный четырехполюсник является внутренне устойчивым, если вещественная со -ставляющая входного иммитанса любой его стороны остается поло-лительной на всех, вещественных частотах при любой пассивной нагрузке другой стороны четырехполюсника. Исходя из этого, на основе полученных выражений для результирующих у к -пара -метров КС и единой формы записи у -параметров ЕГ и КГ оп -ределены частотные области безусловной устойчивости КС и получены условия, позволяющие выбрать ток коллектора БТ таким образом, чтобы обеспечить наибольшую ширину областей безусловной устойчивости. Полученные области безусловной устойчивости использованы при решении задачи векторной оптимизации параметров КС по совокупности показателей качества.

Векторная оптимизация сведена к скалярной путем представ-, ления результирующего показателя качества К рк. в виде целевой функции, зависящей от четырех весовых коэффициентов,численные значения которых определены методом экспертных оценок:

= (2) < ,

где К1 К1 - показатели качества, приведенные к стан-

дартному виду, т.е. удовлетворяющие условию (¿ = ■/, т) ;

чем меньше величина , тем лучше КС при прочих равных

условиях; индекс "*'.!" означает максимально достижимые значения показателей качества.

Методика оптимизации КС, реализующих предельные частотные возможности транзисторов, основана на представлении нормиро -ванного квадрата модуля прямого проходного параметра Р* (х) как функции обобщенной частоты Х- и) 2"' (С - постоянная времени первого транзистора) отношением двух подацомов

Гйу. 4+ ...^АуХ2'" 0

При т-п, и равенстве коэффициентов при одинаковых степенях X числителя и знаменателя F« Сх) =1. т.е. КС обладает бесконечно большой величиной предельной частоты крутизны X. Нот равенство коэффициентов не удается обеспечить, тогда,исходя из того, что все коэффициенты соизмеримы, а величина эс не превышает I в рабочем диапазоне частот, з первую очередь необходимо добиваться условия Ai = ,

тогла при возрастании X соизмеримыми с I станут члены с X1, затем добизаться Ах = S> г и т.д. После этого определяем ся максимальное значение 3Tsлаке. из условия Рк(Х$,<аА= =0,5.

При у. сп оль goh я га : : данной метолики яля наследуемых типов КС получены соотношения, при выполнении которых обеспечивается постоянство прямого прохолного параметра практически во всем ттиа-пазоне частот, ггге транзисторы облапают усиленными свойствами.

Решена задача оптимизации КС по совокупности показателей качества: получены соотношения для оптимальных реяимов по по -стоянному току первого и второго транзисторов и параметров их моделей, обеспечивгвдзо мшльум рэзудътлруицэго показателя качества. По величине розз'льтирзегцего пок2,сагз.1я качества КС для узкополосных усилл?эле!1 клпсси&шировокн яа три группы. КО первой группы (ои-об. со-ОЭ, ос-об) обоспК~ркмин =0,4 и мзяео за сч&т наибольшего г^ачеяля двух показателей качества - предельной частота крутасяы и сходного сопротивления. Ж второй груйян (ОИ-ОЭ, О'J~ ОБ". ОЭ-ОБ, ОБ1- 03м, OJJ-OJi, ОК1- ОЭ", ОК-ОЭ, ОК - ОБ", 0K-0J3) олэспэчивгат Крлмчн =0,6 и наибольшее (кроме КС типа ои-ОЭ) здалеялз предельной частоты крутизны; ИЗ типа ОИ-ОЭ кмээт наибольазз'знотзияе двух показатзлой качзст-ва - входного сопротивления и актппяоста, Остадышо КС объединены в третью групп;.-, резко уступал- КС других групп по частотным возможностям, з то se вре?дя эбеспачаизя наибольшее значзшю модуля прямого 'проходного параметра.

Для. широкополосных усилителей овткмазедия КС шполясяа по нормированной плоэддя усиления. Установлены состнояояия для оптимальных ренинов транзисторов КС, обеспечиваэдих максимум плс::;а-да усиления. КС классифицированы на дао группы. КС первой группы (типов 0&-0Э, 0Б-03. ОЭ-ОБ, ОБ-ОБ) пмзют площадь усиления, в несколько раз большую, чеи схома с ОЭ. КС типов ОЭ-ОЭ и ОБ-ОЭ рекомендуется использовать в широкополосных, усилителях с относи-

телъно низкой граничной частотой ff, « 0,5 Д. ; КС типов 03-0В,0о-0д -.эффективны в широкополосных усилителях с любой верхней граничной частотой вплоть до 0,5 fj. , КС второй груц-ш ( типов Od-OK, ОБ-ОК, OK-Od, О¿-ОБ) на имеют преимуществ по площади усиления в сравнении со схемой с ОЭ.

Разработаны методика и программа автоматизированного проектирования и оптимизации АИС, обеспечивающая выбор'типа КС для получения максимума предельной частоты крутизны транзисторов' методом последовательных приближений. При использовании про -граммы рассчитаны оптимальные режимы выпускаемых отечественной промышленностью и ряда новых АИС, реализующих значительные выигрыши но основным характеристикам микросхем и рекомендованных для применения в усилительных.устройствах.

4. ШКРОСЖЮГЕШКА АНАЛОГОВ^ ИШШМЫШ: США С ИНЖЕКЦИОННШ ПИТАНИЕМ

Микросхемотехника АИС с ИД имеет специфические особенности, обусловленные функциональными и схемотехническими возможностями ТИП и КС на ТИП и разнообразием конструктивно-топологической реализации инхекцаонных структур. Инфекционный принцип питания усилительного транзистора позволяет исключить резисторы из схемы усилительного каскада и заменить их динамическими нагрузками, роль которых выполняют инжекторы тока; при использовании многоколлекторных ТЖ1 возможно применение разлитых обратных связей. •

для создания банка данных интегрированной САПР АИС необходимы исследования и разработка основных схемотехнических элементов, входящих в состав АИС: генераторов стабильного напряжения (ГСП) и тока (ГСТ), дифференциальных усилителей (ДУ), промежуточных и вспомогательных каскадов, Ж! на Т^Ш, каскадов сдвига уровня и т.д.

Выбор и стабилизация рабочей точки ТИП в усилительном каскаде являются важной задачей проектирования АИС с ИД. На'основе анализа малосигнальной модели ТИП установлено, что с целью максимального использования малого коэффициента усиления тока 0 базы инверсно включенного усилительного транзистора рабочую точку следует выбивать на линейном крутопадающем участке передаточной характеристики ТИП, которой соответствует рабочие режим, определяемый полученным выражением

£ГеА (<*.»&«/<")•:■ (4)-

о

Г1 .1л-

Здесь У> ~ напряжение на базе и коллекторе ус;:л;:~

тельного транзистора в рабочей точке "Л"; су - Йл- !,•/]'..,

б у - статичоский коэффициент усиления усилительного зистора, Гг - ток эквивалентного генератора цегд бау:;,

- обратный ток коллекторного перехода при луловси лапря^онлг на остальных переходах, </т - тешературякй потзадаал, т -

- нагрузочная способность ТйП.

Предложены два способа создания лднейюго обеспе-

чение в цепи базы усилительного' транзистора напрлзоння смешения, равного напряжению в рабочей течке при задетом тске питания инжектора, что соответствует вышеуказанному граничному ре-яиму; обеспечение рассчитанного тока иляекгора при заданных пат раметрах ТИП, что соответствует граничному ре:?ли.у

а

■ 16г > 1м 1«, ' ^ ? V ' с5)

где_ 1е I " тока, базы и эмиттера усилительного транзистора; Л, ,-/ . - статические коэффициенты усиления тола от ин-

жектора к базе для основного и нагрузочного пнаоктяругзцлх транзисторов.

При анализе малосигнальной модели ТКа получани формул для расчета параметров усилительного каскада, реализуемого по двум указанным вариантам. Сравнение результатов анализа с аналогичными характеристиками каскада на; БТ позволило установить,что усилительный каскад на ТИП незначительно уступает по коэффициенту усиления напряжения и на порядок по коэффициенту усиления тока, имеет в 50 раз меньшее энергопотребление, занимает более чем в два раза меньшую шгоцадь на кристалле; применение многоколлекторных ТИП позволяет реализовать одинаковые коэффициенты усиления сравниваемых каскадов.

Схемотехнические и функциональные возможности ТШ исследованы на основе базовой инфекционной структуры, топология которой допускает реализацию трех стандартных схем включения:схем с ОЭ и 03 нормально и -сверено включенного усилительного транзистора я схемы с ОБ для инжектора. С;.особы задания и учат рабочих вариаций режимов расширяют число схем до шеста, а рассмотрение двухколлекторннх ТИП определяет в конечном итоге 10 схемотехнических вариантов использования ■ ТИП.

я;::: использовании наилучших с точки зрения потенциальной усто;:«;;ьсстп КС и функциональных возможностей ТШ1 в каскодном :лс:ш:о реализовать 16 типов регулярных и 6 типов не-регуля:ных структур КС на ТШ1, представленных в таблице, где нули.:е индекса "I" и "2" откосятся к одно- и двухколлекторным усилитель;:^: транзисторам, верхние - к их типовым и варьируе- . м_'.м ¿<квьш. Сравнение с результатами оптимизации КС показывает, что данные структура КС могут быть рекомендованы для широкопо-лссгш. А>*С с »а.

Гогулнр.'ше и нерегулярные структуры КС на Т1Ш

л егу.-в- с' 1 1 нерегулярные

об-— 04- 04, 04- (Ъг об;- 04,1 об',- озо; 1 0б> 03^.

., 11 VI. 1 ~ ъ о т , а 01}— 03^. ,11 1 об-.- со7 ± 1 - ii 0бг -04,; 031- об2, оз];-

1 . |> 1 н 03^- о4| 0 1 03 об2> 0Б2

1 ii ^г К- II — ii 1 ой-- одэ^ , (1 оа1- ,...... 1!

!

( „стальное ¡рассмотрение четырех регулярных КС на ТИП

, Си— ОБ^, ОЬд-- 03^) ¡5 двух нерегулярных

КС (0БХ- СЗ^., Сз^- Ои^) показало, что все они могут быть раали-зигллы на дшух г^ц трех типах баз'овых инфекционных структур

". Разработаны принципиальные схека и топология данных КЗ на ТКа, ¡¡а основе исс&одовааяй швросхеыотахники АИС с ИП щ-едлатеки п разработаны схемные решения и конструктивно-топо-яогачесхзо варианте ГСи, ГСТ, схем сдвига уровня и электронной ¿-е гула резки, а такге однокаскаддцх и многокаскадных усилителей, нспользуигах базовые яяяскцяошше структуры. Этот схемотехнически;: базис полояен в основу разработки ДЦ интегрированной САПР. ' •

5. Ш\Ш1ЯРЛЧгЕЮШ И СТАТИСТИЩСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ АШЮШНл.

¿ШТШАШУА США С ИПШЦИОШШ ШТАЛИ&1

Дня параметрической идентификации модели ТИП предложена • методика автоматизированного определения статических и динами-

ческих параметров базовых инфекционных структур при пс:и.:енэ:::п1 оптимизационных методов оценки параметров с использован:;^:.; линейного и нелинейного программирования, при отсм объединяется этапы автоматизации измерений а вдентифакапд;: гдра\;атров.

Статические параметры измеряются по зкеперимента^ьпац вольтамперным характеристикам (ВАл) базовых структур, дм чего используется современный контрольно-измерительный комглекс (КИС) типа ФИЦ 310-006, позволяющий задавать и контролировать теки в области наноампер, что особехшо закно для точности модзлл Т1'Ш в микрорежиме.

Программа контроля параметров четырех базовых инфекционных структур ТИП написана на язы2се высокого уровня, предназначенном для программирования КИК ОИЦ Э10-006. Работа програ'.:.1Ы определена двумя этапами: на первом этапе программа работает в ра-киме "самообучения", когда определяются диапазоны контраларуеиых токов и минимальные задержки контроля; на втором этапе прспззодпт-ся измерение, обработка и запись результатов ла магнитный даек. Программа позволяет формировать базу дачных статических параметров модели ТИП практически любых конструктиьно-тоцологлчесдах решений. Для обеспечения работы КИК достаточно определить модификацию базовой структуры и обеспечить сзарку соответствующих выводов в унифицированном корпусе типа 402.16-12.

После автоматического определения статических параметров по экспериментальным ВАл базовых структур производится идентификация параметров путем минимизации величины квадрата отклонений измеренного и рассчитанного по физической модели значения ВАХ в пространстве оптимизируемых параметров:

э=Е[ Vры - кь > ^ / &, *,)] г-~а,щ се) -

где п- - число точек реализации ЗАХ; 1/рп1 - измеренные значения падения напряжения на р'/г -пе;;ехопе ■ в ¿-й точке

£ -.математическое выражение ВАХ ^«.-перехода, получаемое из анализа модели ТИП.

Режимные и частотные зависимости У -параметров ТИП

определяйся модифицированным методом измерения ^-параметров с дэлыш&лш.; пересчетам их в У-параметры с использованием неогандартного автоматизированного тестера на базе КИК С10-006, реалаз/аадго измерения параметров при включении Т^.а в измерительную схему с конечными по переменному току на -■ грузкам;:.

¿ииамичесш:е лараиотри определяются в результате минимизации ьзктора сунш квадратов навязок «езду экспериментальными значениями У-параметров в каядой режимной и частотной точке и г.х аналитическими выражениями: (

' ( У ¿Н* у- (?,&) 1

У

У/п У,/ (¿,0) ' ->] (7)

где £ - вектор статических параметров модели ТИП в конкретно;: ремллюп точке, определяемый ранее на этапе идентификации статических параметров; С? - искошй вектор динамических па^а- ■ метров додели; о , j =1,2,3 (М,£,К). гЛанимизация функции ■' Ч' (<£)) осуществляется методами нелинейного программарова-ния ;гулеього порядка с применением алгоритма глобального поис-1а. и модифицированного а^оритма локального поиска Пауолла.

Аналитические выражения для высокочастотных У~парамет-ров получены методом обобщенных сигнальных графов для нормального активного рожица ТЛИ в схеме, с 03.

Аппроксимация режимных зависимостей динамических параметров осуществляется ранее используемой процедурой оптимизации, реализующей метода нелинейного програглмирования нулевого порядка, но в качестве целевых функций используются известные выражения для реяишах зависимостей барьерной и диффузионной составлявшей емкостей модели ТИП, .. . •• .'• .' :• '

Начальные приближения для параметров аппроксимации шчяс- : ляются по дачным У-параметров ■ ТИП,и априорной информации ■ о типе-полупроводника и характере р-перехода." .■• '

Максимальная относительная, погрешность п.я синении результатов значений динамических параметров библиотечных ТИП, полу-' -чешых по известной матодаке на стандартной измерительной аппа- ' ратуро и определенных по предложенной методике, составила

1,5 ...3 %. В наибольшей степени слияние на точность значений динамических параметров линейной модели ТИП оказывает точность априорной информации о У-параметрах ТШ.

11а основе изложенных положений разработаны алгоритмы идентификации статических и динамлчоских параметров ТЛП.

Для определения выходных характеристик АЛС с ИП при фор-мированли математической модели АПС применен мотод узловых потенциалов в сочетании с методом разрешенных матриц. При проектировании АИС математическая модель КС получается в процессе формирования матрицы проводимостей в базисе узловых потенциалов, которая редукцией Гаусса приводится к матрице вто-«..

■ рого порядка. При известных характеристических параметрах эквивалентного четырехполюсника и заданных проводямостях источника сигнала и нагрузки определяются все основные параметры АИС.

Оптимизация параметров АИС с Ш выполняется при использован" и метода Дэвипсона-Флэтчера-Паузллг изменением конструктивно-топологических характеристик иняекциояных структур в соответствии с выражением (I) в рамках итерационного алгоритма с использованием двух варьируемых параметров: ширины базы инжектора X и коэффициента кратности Я- площади коллектора усилительного транзистора ТИП.

Для АИС в качестве целевой функции принят обобщенный показатель качества - максимальная площадь усиления С^к , определи е-, мая выражением (2ук - Нэк , где Кок - коэффициент усиления по напряжении на средних частотах, ОСек - верхняя граничная частота усилителя.

Статистическая оптимизация параметров АИС позволяет на этап; схемотехнического проектирования обеспечить максимальный процент выхода годных АИС, при этом находится_ П-морный вектор X* , заданный средними значениями эс,, осг,..., х ^ парамет-

■ ров элементов АИС, обеспечивающий получение максимального значения вероятности I? ма*С $ (^нахождения параметра АИС в заданном поле допуока при ограничениях на функцио -нальные зависимости выходных параметров от параметров элементов АИС. Процесс оптимизации заключается в выборе начального положения вектора математических ожиданий параметров элемен-

tob M(2) = ("iZf, МХх,...., тХл) и последовательном изменении его величины я направлении таким образом, чтобы соответсгвушое значение Р,- увеличилось до достижения максимально воз-

можной величины Pr (a v'J . Оптимизация выполняется с многократным использованием на каждом шаге оптимизации решения задачи статистического анализа-Отличятельной особенностью' алгоритма является его двухэтапность, когда после статистического анализа, и оптимизации на первом этапе статистическая оптимизация второго этапа осуществляется с учетсм корреляционных связей между параметрами элементов' ТШ1.

Budop варьируемых конструктивно-топологических параметров Т1Ш позволяет реализовать максимальную серийноспособность АИС.

6. KiiTiTPMPOMiüM САПР АНАЛОГОВЫХ ПНТКГРАДЫШ. СШ

В качестве интегрированной САПР АИС используется извест.-ная САПР флрш Si-tvai-libKO (США)' SL -2000,, которая нашла широкое применение на предприятиях электронной промышленности России и стран С:1Г. Перспективность выбора данной системы обус- ■ ловледа тек, что она тлеет многоуровневую иерархию, универсаль- ' ные графические средства ввода и редактирования схемы, обеспечивает. сквозное проектирование ИС на базовых матричных кристаллах и, что самое главное, открыта для использования через банк данных новых подсистем проектирования.:Кроме того, для неё отечественными учёными разработаны многоуровневые оптимизационные модели и процедуры многовариантной интеграции, позволяющие осуществлять выбор согласованного множества моделей, алгоритмов и программ С Ali? на основе априорной информации о вероятностях предпочтительного использования их для заданного класса схем, технологического и конструктивного базисов. САПР SL -2000 адаптиро- .. вана для технических средств интерактивно-графической системы ■ (ИГС) "Кулон-1У" в рамках операционной системы'' ШС версии '4.5 и ' выше. На базе ИГС'строится все.программное обеспечение для .управления автоматизированными тестерами контроля. Диалог: пользова- -теля с системой SA-2000 осуществляется с помощью многоуров-' невого меню, представляющего возмошость выбора необходимой проект^, ной процедуры, задаччя ключей параметров, имен файлов.

Общая' структура интегрированной САПР АЛС представлена на рис.2, где функциональное назначение больпияства блоков фактически соответствует структуре ЛГС "1<улсн-1У", а блоки, реализующие функции разработанных подсистем, обведены штриховыми линиями.

Оригинальными подсистемами интегрированной САПР АЛС являются следующие:

1) подсистема автоматизированного проектирования и параметрической оптимизации АЛС с 1Ш (блока ЛОЖ, О..ГГЛП, 011ГЛЛ,КШ);

2) подсистема статистической оптимизации АЛС с 1Ш (блок СОАИС) ;

3) подсистема прогнозирования надежности и диагностики ка-' чества АЛС с ИП (блоки ГШАЛС, дКАЛС).

В первой подсистеме блок ЛОЖ, в которой входит К1К £ЛЦ Э10-006, обеспечивает блок ФоГГИП исходной информацией по параметрам ТИП; блок &ГГШ1 формирует модоли библиотечных ТИП и осуществляет идентификацию статических и динамических параметров DU.; блоки ОПГйП и КТП выполняют соответственно оптимизацию АИС по конструктивно-топологическим параметрам и формирование топологии. Управление блоками iffiffl, ОШ'йД и КТИ осуществляется управляющей программой, а их оверлейная загрузка - своими управляющими программами.

Предложенная в работе организация технических средств блоха НМК имеет иерархическую структуру и представляет собой де-1ентрализованную систему обработки данных, позволяющую полно -зтью автоматизировать процесс получения и переработки инфор -вдии о параметрах ТИП, участвующих в сеансе проектирования АИС.

Подсистема статистической оптимизации АИС, разработанная ¡а базе предложенных алгоритмов и установленных статистических :арактеристик элементов АИС, имеет самостоятельное прикладное шачение,' так как позволяет осуществлять прогнозирование серий-юспособности АИС, имеющих в своем составе как БГ, так и инжек-даонные структуры. Программно-технический комплекс подсистемы [ранят в Государственный фонд алгоритмов и программ.

Подсистема прогнозирования и диагностики качества АИС с И позволяв! оценивать надежность путем определения количест-ia резервных кристаллов на пластине, использует при диагности-:е качества АИС автоматизированные тестеры контроля, формируя арты годности пластины .для последующей дискреционной развод-

Структура.интегрированной САЯР АИС

ки годных кристаллов, а такта определяет серийнсспособиость АИС каждой технологической операции изготовления кристаллов.

. 7. КОНСТРГКТИВНО-ТЕХНОЛОГуГШЦКАЯ И ПР0ГГА;,Ш0-ТйаДЧ£й1Ш1 РЕАЛИЗАЦИЯ, ЭЯШЗКШЯШПАЯ ПРОВЕРКА И РЕЗУЛЬТАТОВ РАШГЛ

Конструктивно-технологическая реализация ЫО с ИП выполнена на основе стандартного технологического процесса изготовления' биполярных структур Воронежского Ш10 "Электроника" при использовании четырех базовое структур, специально разработанных для этих целей в кристалле ". Ь |аботе приводятся фотографии этих структур и параметры технологического прэцпо-са.

В качестве объектов конструктивно-технологической роата-зации АИС на базовых структурах и их экспериментальных исследований выбрани усилители с фиксированными током питания и исто л ком смещения, двухкаскадныв и трехкаскадныо усилители,АЛС на основе КС различных типов. При разработка АПС применена подсистем автоматизированного проектирования в интегрированной САПР. При макетировании исследовалось по 10 кристаллов с трех пластин и проводились усреднения результатов измерений. Рас -ховдение средних экспериментальных и ¡почетных. данных соста -вило 10 ... 15 %, что подтверждает правильность предложенных в работе моделей и алгоритмов.

Для портативных кассетных магнитофонов в кристалле "

разработана АИС двухканального универсального усилителя с электронным коммутатором, применение которой позволило повысить технологичность и надежность магнитофонов и увеличить продолжительность их непрерывной работы на 20 ... 25 %.

С помощью подсистемы статистической оптимизации парамот -ров АИС выполнена оптимизация серийноспособности шести . типов АИС; максимальный процент выхода двух из них на частоте 10 .МГц составил 87 % и достигхся после 6 ... 8 итераций в течение 30 ... 40 с работы подсистемы. Сравнение результатов рас-' яетов с экспериментальными данными, полученными а опытном производстве Воронежского НПО "Заря", подтвервдает как правиль -ность построения подсистемы, так и надежность её математачес -кого, информационного и программного обеспечения.

Внедрение в промышленное производство АИС двухканального усалат-тя осуществлено в Воронежском ШЮ "Электроника". Математическое, информационное и программное обеспечение интегриро -ванной САП? А! 1С с ИЛ внедрено при автоматизированном проектировании ци^ро-аналоговых и аналоговых АИС с ИН в ПИИ электронной техника 11110 "Электроника", а также в учебном процессе Воронежского государственного технического университета и Московского государственного института электроники и математики, что позволило уменьшить трудоемкость и сроки проектирования АИС.

ОСНОВА РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертационной работе решена крупная научная проблема разработка моделей потенциально устойчивых микромощных инжек-ционкых структур и интегрированной САПР с применением методов параметрической и статистической оптимизации для обеспечения максимально возможного устойчивого усиления и минимального энер-ргопотробления АИС.

При решении указанной проблемы выполнены следующие теоретические исследования и получоны основные результаты:-

1. Обоснована методология автоматизированного проектирования на принципах оптимальности схем и параметров АИС, оптимальной серийноспссобности и адекватности моделей транзисторов и предложена структурная схема основных этапов формирования описания библиотечных элементов интегрированной САПР АИС. - .

2. Разработаны модели микромощных, инжекционных структур

для низкочастотного и высокочастотного диапазонов й установле- ~ ны статистические закономерности параметров моделей; доказана возможность управления параметрами АИС изменением конструктивное отологическими характеристиками инжекционных структур.

3. В соответствии с предложенной классификацией всех возможных структурных вариантов КС на биполярных и полевых транзисторах определены частотные области безусловной устойчивости КС >

и выполнена оптимизация двух классов'усилителей;'для узкополое-'''. ■ ных усилителей - по совокупности показателей качества (продель-

ной частота крутизны, модулю прямого проходного параметра на постоянном токе, активности и входному сопротивлению); для широкополосных усилителей - по площади усиления. Установлены соотношения для оптимальных режимов БГ и ИТ, обоспочиаающие минимум показателя качества и максимум площади усиления; разработаны рекомендации по применению различных структур и групп КС в узкополосных и широкополосных усилителях.

4. Разработаны теоретические основы микросхемотехники усилительных устройств с инфекционным питанием, что позволяет существенно расширить области применения инфекционного питачия и рекомендовать новый функционально интегрированный элемент для*'-интегральной линейной микросхемотехники,. Получены условия выбора рабочей точки транзистора с инжекциопным питанием, обеспечивающий линейный режим работы усилителей. Установленные схемотехнические и функциональные особенности инфекционных структур, учитывающие стандартные схемы включения и вариация рабочих режимов ТИП, позволили на основе стандартного технологического процесса разработать базовое инжокционные структуры, в том числе при использовании каскодных схем включения ТИП, применение которых формализует процесс формирования математических моделей АИС. Предложены и разработаны схемные решения и конструктивно-технологические разновидности ГСТ, ГСН, ДУ, схем сдвига уровня и электронной регулировки, выходных каскадоз, однокас-кадных и многокаскадных усилителей, широкополосных усилителей

на основе оптимальных схем включения ТИП. Две из указанных схем защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

5. Дня автоматизации проектирования АИС разработаны следующие методика, алгоритмы, автоматизированные процедуры и программы, основанные на оригинальных результатах работы:

расчет статистических характеристик у -параметров тран«-зисторов о учетом режима и температуры;

проектирование касчодкых интегральных УПЧ;

параметрическая идентификация статических параметров ТИП;

параметрическая идентификация динамических параметров ТИП.

6. В рамках интегрированной САПР разработана подсистема автоматизированного проектирования и оптимизации АИС с инжек-ционным питанием, работа которой основана на параметрической идентификации статических и динамических параметров модели ТИП

с экспериментально-определяемыми ВАЛ и /-параметрами ТИП и параметрической идентификации конструкторско-топологических параметров модели ТИП, использующей экспериментальные зависимости эффективного коэффициента передачи тока базы от ширины базы инжектирующего транзистора и площади коллектора усилительного транзистора. Методика автоматизированного проектирования АИС включает этап оптимизации по площади усиления и использует в процессе проектирования базовые инфекционные структуры, формируемые в каскодные схемы различных типов.

7.. Разработана'подсистема статистического анализа, прогнозирования и оптимизации параметров АИС, отличительной особен -ностыо алгоритма работы которой является его двухэтапнооть,. когда после статистического анализа й оптимизации на-первом этапе статистическая оптимизация второго этапа осуществляется с учетом корреляционных связей между элементами и компонентами ыик-.. росхеш. Подсистема позволяет на этапе схемотехнического проектирования осуществлять прогнозирование процента выхода годных АИС. '

В. В составе интегрированной-САПР разработана подсистема прогнозирована» и диагностики качества АИС, позволяющая.оцени- ■ вать наделйюсть АИС путем оптимизация' многовариантной энтропии -распределения выходных параметров и использующая при диагностике качества АИС автоматизированные тестеры контроля. IIa основе причинного анализа технологических процессов предложена я разработана подсистема диагностики качества АИС, определяющая се-рийносЕособяость АИС по каждой технологической операции изго- . • товления кристаллов и оптимальные режимы технологического оборудования и технологического процесса. .. .

9. Проведена всесторонняя экспериментальная проверка разработанных моделей, методов и схемотехнических решений на тес--товых примерах схем и экспериментальных пакетах, а также при... работа подсистем автоматизированного проектирования. •.'•'.'■','-.

..10. С применением подсистемы автоматизированного проектирования и -оптимизации АИС с инжекционным питанием разработаны, внедренные в промышленность интегральные усилительные устройства, нашедшие применение в мдкроэлектронной аппаратуре. Эффективность предложенных в работе схемотехнических и программно-технических решений обеспечивается за счет значительного.сншю'г ния энергопотребления, расширения частотного диапазона работы

АИС, прогнозируемого процента выхода годных изделий и уменьшения трудоемкости и сроков проектирования интегральных усилительных устройств.

По теме диссертации опубликованы следующие работы.

1. Бачурин В.И., Крюков В.Г., Ус H.A. Стабильность рабочей точки усилительного каскада с инфекционным питанием. Деп. в ВИНИТИ, » 4, 1982.- 18 о.

2. Прогнозирование процента выхопа гопных гиориттных интегральных схем на этапе схемно-конструкторского проектирования / Ю.Г.Крюков, В.М.Шишкин, В.И.Бачурин и пр. //Физические основы надежности и леграпации полупровопниковых приборов: Тез.юкл.

I Всесоюз. науч.-техн.конф.-Кишинев, 1Ь82.- С.138.

3. Крисов Ю.Г., Бачурин В.И. Оптимизация полупроводниковых интегральных схем на основе биполярных, полевых и инжекционных структур //Теория и практика конструирования И обеспечения надежности и качества электронной аппаратуры и приборов: Тез.докл. Всесоюз.науч.-техн.конф.- М.: Радио и связь, IS&4.- С.24-25.

4. Бачурин В.И., Крюков Ю.Г,, Ус H.A. Метод оценки качества л2Л-схем, . содержащих цифровую и аналоговые части // Информационно-измерительные системы и точность в приборостроении:Тез. докл. Всесоюз науч.-техн.конф.- М., 1984.- С. 113?

5.. Ефимов A.B., Ус H.A., Бачурин В.И. Использование контрольно-измерительного комплекса при оценке параметров моделей, качества и надежности микроэлектронных устройств // Проблемы 'теории чувствительности электронных и электромеханических систем: Тез. докл.Всесоюз. науч.конф,- М.: Радио и связь, 1985.-С.89. .

6. Бачурин В.И., Рындин A.A. Применение сплайнов при формировании моделей компонентов линейных интегральных схем с ин-аекционным питанием // Проблемы теории чувствительности электронных и.электромеханических систем; Тез.докл.Всесоюз. науч. . ' конф,- М.: Радио и связь, 1985,- C.I44-I45.

7. Бачурин В.И.-Определение параметров транзисторов с инфекционным питанием при исследовании надежности работы новых типов схем //Эффективность а надежность сложных технических сио-гем: Сб. тр,Всесоюз. науч.-техн.сеы.- М.: ЦЦНТП им. Дзержинского, 1985.- С. 56-59. .

8. Бачурин В.И., Елфямов A.B.', Рындин A.A. Оптимизационный метод оценки параметров моделей компонентов интегральных схем

в САПР ШС // Модели и алгоритмы оптимизации сложных систем:Сб.

науч.тр.-Воронеж: Воронеж, политехи.ш-т, 1985.-С. 98-101.

9. A.c. II79866 СССР. Полупроводниковая интегральная схема, 1985 (ДСП).

10. A.c. 1256614 СССР.Интегральный'усилитель , ,1986 (ДСП).

11. -¡ачурнн В.И., Рывдин A.A., Ус H.A. Математическое моделирование транзистора с инжекцаонным питанием в линейном' режиме // Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах микросхем: Межвуз. сб.науч.тр,- М.: ШШ, 2S86.- С.98-103. '

12. Бачурин В.И., Зеленин Ю.Г. Структура комплекса технических средств для интегрированной системы автоматизированного проектирования и контроля -ПЭТ // Моделирование и оптимизация сложных систем: Сб.науч.тр.- Воронеж: Воронеж,полицехн.ин-т, 19Б6.- С. 149-152.

13. Бачурин В.И., Зеленин Ю.Г., Рыцдаи A.A. Диагностика надежности ИоТ на основе интегрированной системы автоматизированного проектирования и контроля //Надежность, качество в приборо- • строении и радиоэлектронике: Тез.докл.Всесоюз. науч.-техн.сем. ЧЛ. - М.: Радио и связь, 1Ь86.- С.66-67.

14. Бачурин В.И., ГУндия A.A., Елфимоз A.B. Диагностика качества изготовления ИЗТ на,основе системы причинного анализа технологических процессов // Надежность и качество в приборостроении и радиоаяектронике: Тез. докл.Всесовз. науч.^-техн.сшгп. ' Ч.П. - М.: Радио и связь, 1986.-"С.67-69.

15. Бачурин В.И. Проектирование низкочастотных усилителей

с инжеквдонным питанием в среде САПР БИС .// Прием и анализ свэрх-низкочастотных колебаний естественного происховденая: Тез.докл. П Всесоюз. конф.- Воронеж: Воронеж.политехи.ин-т, 1987.- С. 146.

16. Бачурин В.И. .Ситников В.В., Черняев'Д.В. Прогнозирование надежности Щц-микроЭВМ на этапе автоматизированного схемотехнического проектирования // Методы прогнозирования надежности проектируемых РЭА и ЭВМ: Тез. докл.зональной конф.- Пенза: Пенз: политехи.ин-т, 1988.-С. 53-55.

17. Бачурин В.И., Ситников В.В. Многоальтернативная оптимизация электрических и топологических характеристик.элементов БИС с малыми размерами //Интегрированные системы автоматизиро- ■ ванного проектирования в гибких производственных системах; Тез.

докл. Всесоюз. совещ.-сем. молодых ученых и специалистов. - Воронеж: Воронеж, политехи, ик-т, 1988.- С.94.

18. Бачурин В.И., Зеленин Ю.Г., Черняев Д.В. Формирование карты годности пластины в системе проектирования и контроля ИЩ1-ыикроЭВМ // Машинные методы проектирования электронно-вычислительной аппаратура: Тез.докл. Респ.сем.-Каунас: Каунас.политохн. ин-т, 1988.- С. 73-74.

19. Львович Я.Е., Риндин A.A., Бачурин В.И. Организация учебного процесса в филиале кафедры при подготовке инженеров системотехников по специальности CA1IP // Опыт работы филиалов кафедр я их роль в перестройке учебного процесса и улучшения качества подготовки специалистов: Тез.докл.Респ.науч.-метод.конф»-

- -Воронеж: Воронеж.политехи.ин-т, 1988,- С.67. .

20. Бачурин В.И., Зеленин Ю.Г. Оптимизация формирования мо- . делеä библиотечных элементов в системе сквозного проектирования

и контроля ИЦЦ ИЭТ //Актуальные проблемы создания интеллектуальных САПР РЭА и СБИС: Тез.докл.Всесоюз. школы-семинара молодых ученых-специалистов.-Воронеж.политехн.ин-т, 1989..- С.158-160.

21. Бачурин В.И., Гончаров B.C. Интегрированная система автоматизации многооперационного непрерывного' производства на базе высокопроизводительных мини-и шкроЭВМ серии "Электроника" //Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини-и микроЭВМ: Тез.докл.Всесоюз. совещания-семинара молодых ученых и специалистов.- Воронеж: Во-ронеж.политехн.ия-т, I98b.- С.172.

22. Бачурин В.И., Львович Я.Е., Рындин A.A. Структурный синтез технологии КЭА на основе методов многоальтэрнативной оптимизации //Проблемы теории чувствительности измерительных датчиков, электронных и электромеханических систем: Тез. докл.Всесоюз. науч.конф.- Ы., Ь8У,- C.I53.

23. .Бачурин В.И. Обеспечение надежности ПЭТ на целой пластине в интегрированной САПР //Проблемы обеспечения высокой надежности микроэлектронной аппаратуры: Тез.докл.Всесоюз. науч. -техн.конф.-Запорожье: Запорож.шшиностр.ин-т, 1990.- С.165.

24. Бачурин В.И., Львович Я.Е., Остапенко Е.В. Многоальтер-::атявная оптимизация автоматизированных технологических систем радиоэлектроники по показателям надежности, эффективности и качества //Современные методы обеспечения качества и надежности электронных приборов: Материалы сем. общества "Знание" РСФСР.-М., 1990. - С. 105-107. •

32 '

25. Бачурин В.И. Оптимизация надежности МЭА с использова-' нием методов многовариантной интеграции //Автоматизированные систеш обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры:Тез. докл. Всесоюз. .науч.-теоц!.конф.-М.: Львов, 19У0.-е.7.

26. Бачурин В.И. Некоторые аспекты измерения малосигнальных параметров транзистора с инфекционным питанием //Интерактивное проектирование.технических устройств и автоматизированных систем на персональных ЭВМ: Тез.докл.Всесоюз. совет.-семин. -Воронеж: Воронеж, политехи.ин-т, I9ül.- С.122.

27. Бачурин В.И. Особенности оптимизации и моделирования усилительных устройств //Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз.сб.науч.тр.-Воронеж: Воронеж, политехи.ин-т, 1У94.- С.174-175.

28. Бачурин В.И. Моделирование электрических'параметров ■ транзисторов с инжекционным питанием по их конструктивно-топологическим характеристикам //Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах : Меквуз.сб.науч.тр.- Воронеж:'Воронеж.политехи.ин-т, 1994.- С. 193-196. ' ; ' ''.•'■'

29. Бачурин В.И. , Крюков. Ю.Г. Автоматизация проектирования высоконадежных аналоговых интегральных схем на оонове кас-кодных инжекционных структур .//Методы и средства оценки и по- . ' вышения надежности приборов,, устройств и систем: Тез.докл.Российской науч.-техн.конф.-Пенза, 1994,-С.24-25.' ;

30. Бачурин В.И. Моделирование электрических параметров'. ТИП по их конструктивно-топологическим характеристикам /Д!э-тоды и средства оценки и повышения надежности . приборов, уст- . ройств и систем: Тез.докл.Российской науч.-техн.кояф.-Пенза, 1994.- С.61-62. -jg -

J1P № 020419 от 12.02.92. Наряп-заказ П от 22.03.95.Повписано' в печать 03.95. Уол.печ.л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ > í

Воронежский госупарственный технический университет .394026 Воронеж, Московский проспект, 14 Участок оперативной полиграфии Воронежского государственного технического университета .