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vendredi 3 mars 2006 ENST Paris – COMELEC – Jean Provost 1 / 33
MIEL – CBN – L3
Méthodes de caractérisation
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 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 STMicrolectronics
http://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 = 0,1µmWdf = 0,5µmLjdf = 0,5µm
kn = 492 µA V-2 kp = 172 µA V-2
VT0P = -0,22V
tox = 2nmC’ox = 17,7fF µm-2
C’j0n = 1,0fF µm-2 C’j0p = 0,95fF µm-2
C’j0wn = 0,3fF µm-1 C’jw0p = 0,3fF µm-1
Vdd = +1V
VT0N = +0,26V
LD = 9nm LD = 5nm
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 5
Modèle capacitif du transistor MOSschéma du circuit équivalent
G
DS
B
CGSO CGDO
CjS CjD
IdsCGC
CCB
CGB
CGB
B
DS
G
B
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 6
Modèle capacitif du transistor MOSquelques équations!
CGC = W L 0rox
tox
CCB = W L 0rSi
xd(Vgb)
CGB = –––––––––––1
1 1CGC CCB(Vgb)––– + –––––
CGD = CGS ½ C'ox W L
CDB = CSB = C’jW Lj + C’jw 2(W+Lj)
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 7
Le courant Ids du NMOS (résumé) quelques équations!
Vgs = Vdd > VT0N
L
W
2
k
L
W
2
CµK
'ox0
ox
rox0'ox t
C
Vgs = 0 VT0N Ids = 0
Vds 0+ N0VTVddKn2
1N0RDS
0 < Vds < VdssatVds
2
VdsN0VTVddKn2Ids
Vds = Vdssat = Vgs - VT0N 2sat N0VTVddKnIds
Vds > Vdssat satsat VdsVds1IdsIds
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 8
Exercice: amplification logiqueoptimisation du temps de propagation
Ln = Lp = LdfWnu = WdfWp = Wn*psnk = µ0*C’ox
psn = (équilibrage)knkp
Wn2 = Wnu*kw
Si:
VT0N = |VT0P|
u 2CL=100Ceu
tp
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 9
Exercice: amplification logiqueproblématique
u 2CL
tpal = tpINVu + tpINV2
tp
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
u
Ce = CGCN + CGCP
Ceu = C'ox*Ldf*Wdf*(1+psn)
2Ceinv2 = C'ox*Ldf*Wdf*kw*(1+psn)
Ceinv2 = Ceu*kw
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 11
u
Cs = 2(CGDN+CGDP) + CDBN+CDBP
2
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))
Csinv2 Csu*kw
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)) )]
Exercice: amplification logiqueCsu, Csinv2
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 12
Exercice: amplification logiqueRsu, dtpu, Rsinv2, dtpinv2
u
dtp = Rs RDS0
Rsud [kn*Wdf/Ldf*(Vdd-VT0N)]-1
2Rsinv2 [kn*Wdf*kw/Ldf*(Vdd-VT0N)]-1
Rsinv2 = Rsu/kw
dtpinv2 = dtpu/kw
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 13
u
2
tp0inv2 = tpu
tp0 = Rs*Cs RDS0*Cs
tp0inv2 = Rsinv2*tp0inv2 = Rsu/kw*Csu*kw
tp0u = tpu = Rsu * Csu
Exercice: amplification logiquetp0u, tpu, tp0inv2
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 14
Exercice: amplification logiquekwopt
kwopt = VCL/Ceu
tpal = 2*tpu + dtpu*(Ceu*kw + CL/kw)
u 2CL
tp
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
P0T
N0T
VVddkp
VVddkn
Wn
Wppsn
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
ttm=ttd=ttmax
Ve
le signal standard: ttmaxcaractérisation de la technologie
u u
Vg
u
Vs
u1
u2
u15
u16
M=16
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 18
Cx
ttm=ttd=ttmax
Ve
le signal standard: ttmaxsignal appliqué
u u
Vg
X
Cei
Cx + Cei = 16*Ceu
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 19
Caractérisation: quels paramètres?
Conditions
Conséquences
tp = tp0 + dtp * Cext
Cext = Cei ei , sk :
ttm ttmax ttd ttmax
tp0 entre chaque [ei, sk] (en respectant ttmax)dtp sur chaque sk (en respectant ttmax)
Ce sur chaque ei
Cextmax sur chaque sk (Cext telle que tt=ttmax)
metd
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 20
tpei
Caractérisation: la capacité d’entrée
u u u
X
Cei
Vg
u u u
tpxe
CxeCei
tp
Cxe
tpei = tpxe
Cei = Cxe
tpei
tpxe
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 21
ttmax
Caractérisation: tp0, dtp, Cextmax
X
skei
Vg
u u
Cx Cext
tp0ik + dtpk Cext
ttk
ttmax
ttk
Cextmax
t
Cext
dtpk
tp0ik
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 22
Vdq=
Vdd=
Caractérisation: Puissance consomméeà vide en µW Mhz-1
ttmax
X
skei
Vg
u u
Cx Cext
ttk
À partir de Pvdd, comment calculer la puissance consommée à vide,alors que Cext n’est pas nulle? ttmax
ttk
Cextmax
P, t
Cext
Pvdd
ENST Paris : MIEL_CBN_L3 23
Feuille de caractéristiquesdata sheet
Pin Cap [fF]
A 8 B 10
table de vérité
A B Q0 X 1X 0 11 1 0
capacités
aire puissance
55 µm2
0.35 µm CMOS NA2
NA2
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
typ
fast
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
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 »
temps
alm
tms tds
0
0,9*alm
0,1*alm
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
temps
temps
alm
alm
0
0entree
sortie
tpm
½*alm
½*alm
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
temps
temps
alm
alm
0
0entree
sortie
tpd
½*alm
½*alm
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
temps
temps
alm
alm
0
0entree
sortie
tpd
½*alm
½*alm
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
temps
temps
alm
alm
0
0
e
s
tpm
½*alm
½*alm
eb
sb
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