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

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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

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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

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Modèle capacitif du transistor MOSschéma du circuit équivalent

G

DS

B

CGSO CGDO

CjS CjD

IdsCGC

CCB

CGB

CGB

B

DS

G

B

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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Exercice: amplification logiquekwopt

kwopt = VCL/Ceu

tpal = 2*tpu + dtpu*(Ceu*kw + CL/kw)

u 2CL

tp

CL = 100Ceu

kwopt = 10

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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

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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

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ttm=ttd=ttmax

Ve

le signal standard: ttmaxcaractérisation de la technologie

u u

Vg

u

Vs

u1

u2

u15

u16

M=16

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Cx

ttm=ttd=ttmax

Ve

le signal standard: ttmaxsignal appliqué

u u

Vg

X

Cei

Cx + Cei = 16*Ceu

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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

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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

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ttmax

Caractérisation: tp0, dtp, Cextmax

X

skei

Vg

u u

Cx Cext

tp0ik + dtpk Cext

ttk

ttmax

ttk

Cextmax

t

Cext

dtpk

tp0ik

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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

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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

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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

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Choix du jeu de paramètres

Nombre de circuits validés

Performance

Rejetés parle fondeur slow

typ

fast

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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) …

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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 …

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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

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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

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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

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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