（微电子学与固体电子学专业论文）基于性能方程的cmos模拟电路自动优化技术研究.pdf

臻要 摘要 模拟集成电路自动优化可分为基于仿真和基于性能方程的两种技术。基于仿真的方法利用s p i c e 系到 的电路仿真器程每个迭代点上对电路进行仿真，故其具有设计精度高的优点。但由于每次迭代都需要调用 仿真器，要耗费大量的e 硎彗孝斓，此外，此方法无法为设计毒提供直观的性能方程。基予链能方程的方法 壤据一缝毫鼹 雯能方程，在舔令迭霞轰主谤舞这缝往艇方稳瓣僮，因惩箕篡骞速度瓷酶撬患；毽在性戆方 程获取时会对器件模型、电路模型以及方程进行一些简化燎作，使得电路的性能方程精度不够高，故萋予 性能方程的方法存在着设计精度较差的缺点。基于上述原因，本文将重点研究基于性能方程的自动优化技 术，在保持爨身优势的同时，能有效地提商设计精度。 基于毪戆秀程鲑叁懿魏豫技拳主要由鑫渤建模窝性能零优秀个都分缎蔽，零文在这蘧令瑟瑟主聂开觋 究工作：( 1 ) 采用行剐式冗余璧潸除算法，减少导纳矩阵币元素的数莓，献丽减少电路憾能方程的项数， 提高方程的致密度，在保持性能方程精度的嗣时，有效地减少寻优时间，掇高优化设计的效率。( 2 ) 在燕 予时间一常数矩阵的零极点摄取技术基础上，提出了增益一霉，极点分离的邋近技术，在减少电路性能符姆 挂毙方程复杂魔的丽时，保持较高的模型赣菠。接着针对性能寻优，提出了罄予小生境的巍遁应遗传算法， 警在灌强雾滚跨全局搜索戆力鞍l | 曼羲速度，势逶过一系列翡灏试函数实验象验证改送算法豹有效惶，跌露 解决模拟电褥的性能寻优中的早熟和收敛问题。最后，在上述工作的基础上，将自动符号建模和遗传寻忧 技术编程为工舆包，形成了浆用符号性能方程评估电路性能、以改进遗传冀法作为搜索黧法的自动优化解 决方案。 本文采壤土遮技零馕纯搜诗了增盏壤疆型运藏帮蒂辣基准电匿源。糖寞结栗表骥；基予0 。1 8l 绷 c m o s 工艺，运放的开环增菇、单位增益带宽积，相位裕度和0 2 建立时间经优佬设计簸，与优优蘸糨 比，分别提高丁：1 1 1 ( 9 1 d b ) 、6 7 ( 1 7 5 g h z ) 、1 2 3 ( 5 7 5 。) 和1 5 ，3 ( 1 2 7 n s ) 。在0 2 5 删c m 0 8 工艺下，基凇电压源经过优化设计后，其电源抑制比的仿真结果为：- 9 9 4 ( 低频) 和3 8 9 d b ( 高频) ，畿 流冀螽，箕彀潦搀截冼静测试绻栗为：- - 8 7 6 2 释固3 d b ，飙嚣裁较好建满遐系统要求。 关键运：模羧宅籍；综合；基子传真；基予性能寿程；囊璐傥蘧；籀母分耩 遥抟算法； 壳b s 了默c 羊 a g s t r a c t t h e r ea l et w oa n a l o gi n t e g r a t e dc h , u i ts y n t h e s i sm e t h o d s ：s i m u l a t i o n w b a s e dm e t h o da n dp e r f o r m a n c e e q u a t i o n - b a s e dm e t h o d t h es i m u l a r i o n - b a s e dm e t h o du s e sas i m u l a t o r ( s u c h 船s p i c e ) t os i r e l l l a t ea te a c hi t e r a f i v e p o i n t , s ot h em a j o ra d v a n t a g eo ft h em e t h o d ：t h ed e s i g np r e c i s i o ni sh i g h b u tt h em e t h o dr e q u i r e sl o t so f c p u t i m e8 u s i n gs i m u l a t o r 采e a c hi t e r a t i v ep o i n t ；m e a n w h i l e , t h em e h o dc a n tp r o v i d ep e r f o r m a n c ee q u a t i o nf o r d e s i g n e r st ou n d e r s t a n dt h eb c h a v i o ro fc i r c u i t ，o nt h eo t h e rh a n d 也ep e r f o r m a n c ee q u a t i o n - b a s e dm e t h o du s e s p e r f o r m a n c ee q u a t i o nt oe v a l u a t et h ec i r c u i t sp e r f o r a m e aa te a c hi t e r a t i v ep o i n t ，8 0t h er e q u i r e dr u u n m gt i m eo f t h el a r e ri sl st h a nt h et i m eo fs i m u l a t i n n - b a s e dm e t h o d m e a n w h i l e t h em a j o rd i s a d v a n t a g e so f 也e p e r f o r m a n c ee q u a t i o n - b a s e dm e t h o dt h 靠t h ed e s i g np r e c i s i o ni sl o w , t h em a i nr p a s o ui st h a ts o m es i m p l i f i c a t i o n s 五a v cb e e no p e r a t e do ut h ed e v i c em o d e l 、c i r c u i tm o d e la n do 蚴l i o n f o rt h ea b o v e - & d 8 0 l ，t h er e s e a r c hw o r k e r n p h a s i z e so nt h ea u t o m a t e do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u eo fc m o sa n a l o gc i r c u i tb a s e d - o np e r f o r m a n c ee q u a t i o n t h ep u r p o s eo f t h er e s e a r c hw o r ki st oi m p r o v et h ed e s i g np r e c i s i o n , m e a n w h i l e , s t i l lh o l d so nt h es e l f a d v a n t a g e o f t h e 刚o r m a n c ee q u a t i o n - b a s e dm e t h o d t h ea u t o m a t e do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u eo f c m o sa n a l o gc i r c u i tb a s e d - o np e r f o r n m c ee q u a t i o ni sc o m p o s e do f a u t o m a t e dm o d e l i n ga n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nw o u l df o c u so nt h e s et w os i d e s i n c l u d i n g ： ( 1 ) d e t e r m i n a n tr e d u n d a n c ye l i m i n a t i n ga l g o r i t h mh a sb e e np r e s e n t e d , w h i c hc a l lr e d u c et h er e d u n d a n tt e l l l l so f t h ec i r c u i t ss y m b o l i cp o r f o r m 鼢c ee x p r e s s i o na n di n c r e a s et h ee o m p a c m e s so fe x p r e s s i o n a 危瞳u s i n gt h e e l i m i n a t i n ga l g o r i 妇，t h er e q u i r e dt i m eo f o p t i m i z a t i o nc a l lb er e d u c e d , m e a n w h i l e , t h ee x p r e s s i o n sp r e c i s i o ni s n o td e c r e a s e d ( 2 ) b a s e do nt h et h n e - e o n s t a n t sm a t r i xb a s e dz e r op o i n te x t r a c t i o nm e t h o d ，t h eg a i n - z e r o p o l e s p l i t t m ga p p r o x i m a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e np r e s e n t e dt 0h o l d0 1 1t h es y m b o l i ce x p r e s s i o n sp r e c i s i o n ，m e a n w h i l e 。 t h ec o m p l e x i t yo fe x p r e s s i o ni sr e d u c e d ( 3 ) m o d i f i e dn i c h eb a s e da d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c h t a l li m p r o v eg l o b a ls e a r c h i n gc a p a b i l i t ya n dc o n v e r g e n c e 鳓w e 豫as e r i e so ft e s t i n gf u n e t i o u s 毫ot e s t i 艘 t h en e wa l g o r i t h m se f f i c i e n c y ( 句b a s e do nt h ew o r ka b o v et h ea u t o m a t e ds y m b o l i cm o d e l i n ga n dg e n e t i c a l g o r i t h m st e c h n i q u eh a v eb e e np r o g r a m m e di n t os o f t w a r e 妣t h ea u t o m a t e dd e s i g ns c h e m ei sc o m p o s e do f s y m b o l i cp e r f o r m a n c oe x p r e g $ i o nu s e dt oe v a l u a t ep e r f o r m a n c ea n dg e n e t i ca l g o r i t h mu s e d 黜s e a r c ht 0 0 1 t h i s s c h e m e p r e c i s e l yg e n e r a t ec i r c u i t sp e r f o r m a n c ee q u a t i o n sl od e t e r m i n et h es a t i s f i e dc i r c u i tp m a m e t e r b y 霸m 爆豇辜o f t h e s c h e m e , c i r c u i t o p t i m i z a t i o n t a l l b e r e a l i z e d ；m e a n w h i l e , t h e d e s i g n p r o c c d 辫a l s o c a n b es h o r t e n e d f i n a l l y , t h ep r e s e n t e dc m o sa n a l o gc i r c u i to p t i i m z a 畦o nt e c h n i q u ei su s e di nt w om o d u i e s so p t i m i z a t i o n - - g a i n - b e o s t e do p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n db a n d - g a pv o l t a g er e f t , * r n c e a f t e ro p t i m i z a t i o n , t h eo pa m p sp e r f o r m a n c e s ： o p e nl c o pd eg a i n ，u n i t y - g a i nb a n d w i d t h , p h a s em a l g i na n d0 2 s e t u pt i m e w e r ei n c r e a s 础a sf o l l o w s ：1 1 1 ( 9 1 d b ) ，6 。7 ( 1 。7 5 g h z ) ，1 2 3 ( 5 7 夕) a n d1 5 ，3 ( 1 2 7 n s ) w i t h0 。1 8 猢bc m o st e c h n o l o g y , ，i nb a n a - g a p v o l t a g er e f e r e n c eo p t i m i z a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l to f p s rp e r f o r m a n c ea f t e ro p t i m i z a t i o na sf o i l o w s ：一9 9 , 4 d bi n l o wf r e q u e a e ya n dl o w e rt h a n - 3 8 9 d bi nh i g hf r e q u e n c yw i t ho 2 5u mc m o st e c h n o l o g y 1 1 t e s tr e s u i tw a s ：t h e p s rc o u l da c h i e v e - 8 7 6 2 d bi nl o wf r e q u e n c ya n dl o w e rt h a n - 4 0 3 d bi nh i 曲f r e q u e n c y , w h i c hm e e t e dt h e s y s t e m r e q u i r e m e a a t q u i t e w e l l i n d e x ：c m o sc e l lt i r e u i t ：s y n t h e s i s ：s i m u l a t i o n - b a s e d ；p e r f o r m a n c ee q u a t i o n - b a s e d ；a u t o m a t e do p t i m i z a t i o n ： s y m b o la n a l y s i s g e n e t i ca l g o r i t h m ； 东南大学学健论文独剑憷声明 本人声明绣呈交的学位论文是我令人羟导瘘撂鬃下遴行戆磅究王传及敬褥熬磺变成粱+ 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包禽其他人已经发裘或撰写过 的研究成果，也不包含为袄得东南大学或矮它教育机构的举位或证书而使用过的材料。与我 嗣z 作鹳瓣志露本骈究所傲的任禽贡献筠己存论文中 乍了明确的说鹤并表示了漪意。 研究坐签襄：复筵尘 髫麓：! 鲫，7 露 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中阑科学技术德怠研究所、国家图书馆骞投傈瞪本人所送交学使论文驰复印 件和电子文耥，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文耥的内容和纸餍 沦文静内容搠一致。除京保密期内静保密论文辨，兔许论文被查湄和诺阕，可以公布( 包括 蛩l 澄) 论文辫全部躐罄分内容。论文黥公磷 麓括巅澄) 投妖东南大学磁究生院办理。 研究生签名： 差l 丝丑导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍本论文的研究背景，然后概括本论文的主要工作和创新点，最后介绍本论文的研究内 容和组织结构。 1 1 课题研究背景 2 0 世纪9 0 年代末，随着深亚微米集成电路工艺技术的成熟，人们已经能够将包含模拟电路、射频 电路、微处理器、数字信号处理器( d s p ) 、存储器和微机械等模块的完整系统集成到一个芯片上，集成 电路也因此迈入了s o c 的时代。根据美国半导体工业协会( s i a ) 的预测：到2 0 1 4 年芯片将达到1 3 5 g h z 的工作频率和4 3 亿个晶体管的规模。集成电路在先后经历了小规模、中规模、大规模、甚大规模等历程 之后，& s i c 己向系统集成的方向发展，这类系统在单一芯片上集成了数字电路和模拟电路，其设计是一 项非常复杂、繁重的工作，需要使用计算机辅助设计( c a d ) 工具以缩短设计时间，降低设计成本l l j 。 数字c a d 工具已经广泛和有效地应用于数字v l s i 系统的设计中。逻辑综合工具，自动布局布线工具， 版图参数提取工具，时序分析工具以及其它工具在学术界和工业界都已经相当成熟。而模拟电路的设计 工具为数不多，目前，绝大部分模拟集成电路是由模拟电路专家们手工设计完成的，即采用简化的电路 模型、使用电路仿真器对电路进行反复的模拟和修正，并手工绘制其物理版图。在没有计算机辅助工具 的情况下，设计过程极其费时、费力、易出错。所以，尽管在一个芯片中模拟部分只占约1 0 的面积， 但所需的设计时间却约占整个设计时间的9 0 以上p o o j 。 产生以上问题的原因是：模拟集成电路的设计与数字电路集成设计有很大的区别。数字集成电路可 以方便地抽象出逻辑门、寄存器、加法器、减法器等不同层次的逻辑单元，还可以用数据流图、有限状 态模型等形式进行高层次描述，并将这些逻辑单元和高层次行为描述用于不同层次的电路设计。数字电 路这种结构简单、规则化和易于抽象化的特点极大地促进了数字电路设计的自动化发展。而模拟集成电 路则要复杂的多，其主要原因是模拟电路设计被普遍认为是缺乏体系的、而且在本质上比数字设计更需 要直觉和经验的。对模拟电路设计者来说，不可能从高层次对电路实现概念设计。模拟集成电路设计是 一件很复杂的事情，其需要特定知识和电路设计技巧。各种电路结构的相矛盾要求和由于器件尺寸所造 成的差异是非常大。此外，各种非理想状态、高次效应和寄生扰动( 串扰、衬底噪声和电源噪声等) 对 模拟电路的影响是巨大的。这些与数字设计的差别解释了为什么模拟电路e d a 工具不能简单地采用数 字算法。所以至今，模拟电路设计绝大部分都是手工设计，仅采用类似于s p i c e 的仿真器和布局布线工 具。具体表现在以下一些方面【，j ： 性能指标繁杂、难处理：以运算放大器为例，其性能指标包括功耗、直流增益、压摆率、单位增益 带宽、相位裕度、输入动态范围、输出动态范围、共模输入范围，建立时间、电源抑制比、共模抑 制比、失调电压、噪声和谐波失真等数十项。在给定一组性能指标的条件下，通常可能有多个电路 符合指标，但对每一个符合指标的电路而言，它们仅仅是在一定范围内，对个别指标而言是最佳的， 没有任何电路对所有指标、在所有范围内都是最佳的；更为严重的是常常存在相互矛盾的性能指标， 导致模拟集成电路设计者只能采用一些折衷方案。 拓扑结构层出不穷：任何数字电路都是逻辑门之类的单元所组成的，这些单元的功能单一、结构规 范，而模拟电路则不然，没有规范的模拟单元可以重复利用。对于同样的功能，人们已经构造出成 百上千种电路拓扑结构。这些拓扑结构是有针对性的，每一个拓扑结构虽都有其长处，但也有不足， 因而只能在一定范围内适合于个别或部分性能指标的要求。 层次不明确：数字系统的设计可以分解为系统级、行为级，寄存器传输级、逻辑门级、开关级等层 次，这种设计层次的划分已被人们所广泛接受；但对于模拟集成电路而言，其设计层次目前尚没有 严格、通用的定义，设计者目前所采用的是一种形式上的，层间分界不够清晰的结构划分法。 器件尺寸对电路的影响性。在数字集成电路中，晶体管的数目非常多，绝大部分晶体管工作于开关 状态，因而采用最小尺寸即可，只有处于关键延时路径上或需要驱动较重负载的晶体管才需要较大 的尺寸。与此相反，模拟电路的晶体管数目虽然较少，但几乎每一个晶体管的尺寸均与电路性能有 5 东南大学博士学位论文 密切的关系，这使得模拟集成电路设计者必须精心地设计电路中每个晶体管的尺寸。由于m o s 模拟集成电路中各m o s 场效应管的沟道宽长比可能相差几百倍至上千倍，因此，尽管模拟电路所 包含的器件数目较少，但确定( 优化) 所有器件尺寸却是极其费时、费力，这是导致数模混合电路 中模拟电路部分的设计时间远远超过数字电路部分设计时间的主要原因之一。 工艺波动的影响极大。模拟集成电路的性能不仅受工作环境的影响，而且与集成电路制造工艺密切 相关。设计过程中必须充分考虑温度的变化、工作状态涨落及寄生参数等影响电路性能的因素，否 则，它们会降低电路性能指标，甚至改变电路性能。 模拟e d a 领域中的一些部分已经相当的成熟了、一些方面已经准备实现商业化了。与此同时，一 些方面依旧处于探索和发展中。随着混合信号芯片设计市场的扩大，人们对混合信号仿真器的需求比纯 数字仿真器更为迫切。混合信号芯片设计远不同于数字电路设计，主要区别在于设计者对设计方法的选 择【6 ，l s w 。首先需要考虑的是自己所用的e d a 工具的适用范围：数字电路设计可以采用自顶向下( t o p - - d o w n ) 的设计方法，v e r i l o g 和v t t d l 语言完全适用于此设计方法。而在模拟电路方面，目前还没有 一个正式标准的硬件描述语言，同时其所使用的仿真器无论从仿真电路规模还是从仿真速度来看均存在 很大不足，从而使大多数模拟电路设计者采用自下向上( b o t t o m - - u p ) 的方式来设计电路，大大延迟了 整个芯片的设计时间，因而工业界迫切需要开发模拟集成电路设计自动化工具i l q 。早期的模拟集成电路 e d a 平台努力面向从系统级到电路级、从电路级到器件级的电路设计，这个领域的研究发展至今已取得 了一定的进展，但还没有发展到像数字电路那样具有很多成熟的电路自动设计系统l l “。 要使模拟集成电路设计自动化，需要建立相应的c a d 环境，目标是提高设计芯片的性能价格比。 主要解决以下几个问题j 缩短设计周期：加快投放市场的时间，提高产品的市场竞争力。 简化设计过程：使更多的设计人员参与设计数模混合集成电路。 提高投片的一次成功率：自动的错误检测、纠正能力可以提高成功率。 改善成品率，降低成本；通过容错分析进行估算和评估，提高产量，降低产品成本。 易于同制造过程接轨：不需要做太大的修改，可适应不同的工艺条件。 保留专家知识：专家知识在模拟集成电路设计中应可重复使用；另外，以设计举例、行为描述、修 改建议等形式，可以对初学者甚至专家进行设计指导。 1 2 主要工作及创新点 1 2 1 主要工作 上个世纪8 0 年代后期出现了基于最优化的方法。其在给定性能指标情况下，对电路性能进行最优化 设计。在最优化程序中的每次迭代中，都要对电路性能进行评估，因此根据性能评估的方法，可以分为 两种不同方法一基于性能方程和基于仿真的最优化方法。基于仿真的方法利用s p i c e 系列的电路仿真器 在每个迭代点上对电路进行仿真，然后从仿真结果中提取出电路性能，故其具有前期工作量小、设计精 度高的优点。但由于每次迭代都需要调用仿真器，因此计算量极大，要耗费大量的c p u 时间。此外，此 方法无法为设计者提供直观的性能方程，故设计者不能深刻地洞悉性能特性。基于性能方程的方法根据 一组电路的性能描述方程，在每个迭代点上计算这组性能方程的值，因此其具有速度快的优点。但由于 获取电路性能方程需要耗费一定的人力和时间，而且在性能方程获取时会对器件模型、电路模型以及方 程进行一些简化操作，使得电路的性能方程不准确，故基于性能方程的方法存在着前期工作量大，设计 精度差的缺点。基于上述原因，本文将重点研究基于性能方程的自动优化技术，在保持自身优势的同时， 能有效地提高设计精度。 基于性能方程的方法的设计思路是：利用简化的器件模型和电路模型，推导出一组描述电路性能的 方程，在每个迭代点上利用这组性能方程来评估电路的性能，因此完成设计时间远远少于基于仿真器的 优化方法。为了提高性能方程精度，本研究用符号自动建模代替手工建模。通过符号分析产生性能方程 6 第一章绪论 的项数常常是巨大的，为了让所得到的表达式易于处理和可解释，通常采用符号逼近技术对表达式进行 处理，即通过删除一些幅度较小的项，实现精度和项数之间的权衡。与此同时，为了避免由于精度的变 化导致零极点位置发生严重变化的情况，本文在引入时间一常数矩阵的零极点提取技术的基础上，提出 了增益一零极点分离技术。此外，在提高求解导纳矩阵的效率方面，采用了行列式冗余度消除算法，在 减少电路的符号性能方程复杂度的同时，保持较高的模型精度。通过以上技术，实现了电路在频域范围 内的性能模型的生成，从而有效地完成建模工作，进而解决基于性能方程的最优化方法的精度问题。其 具有以下几个特点：( 1 ) 精度高：在电路展开为小信号等效电路时，采用m o s 晶体管的二阶小信号等 效模型，并考虑了体效应、沟道调制效应；( 2 ) 模型易于分析：所采用的方法在自动建模过程中提供是 否简化的选择，使得最终模型的形式简单、易于理解和分析，为设计人员进行设计提供了充分帮助；( 3 ) 适应性强：由于符号分析技术可以对各种电路及其变化进行有效电路分析，因此基于符号分析的新方法 也就适合于各种电路的符号模型建立；( 4 ) 电路规模限于单元电路：目前适于利用此方法进行性能模型 建立的电路规模还不能过于复杂，正在提高之中。工程实践中的应用证明，所提出的符号建模技术能较 精确地反映了电路的性能特征行为，能有效地承担自动优化工作中评估性能的角色。 提出了改进的基于小生境的自适应遗传算法，增强算法的全局搜索能力和收敛速度，并通过一系列 的测试函数实验来验证改进算法的有效性，从而解决模拟电路的性能寻优中的早熟和收敛问题。 在以上两个方面研究的基础上，将自动符号建模和遗传寻优技术编程为工具包，形成了采用符号性 能方程评估电路性能、以改进遗传算法作为搜索算法的自动优化设计的解决方案，其能准确地生成电路 性能方程，从而快速地确定满足性能要求的电路参数，既实现了电路性能最优化，又缩短了电路设计时 间。 为了验证所提出的基于性能方程的c m o s 模拟电路的优化技术的有效性，本文对两个工程项目一1 0 位1 8 0 m h z 流水线型模数转化器中的关键模块一增益增强型运放和数字电视调谐器专用芯片内的带隙基 准电压源实现自动建模和优化，仿真和测试结果表明了所研究技术的有效性。 1 2 2 创新点 本文工作的创新点有如下四点： 采用了行列式的冗余量消除技术 此技术建立行列式的数学原理基础上，通过分别查找行列式的每行、列中的冗余量，并对相关 的行或列进行数学操作，减少导纳矩阵中元素的数目，最终减少电路性能符号表达式的项数，提高 表达式的致密度，在保持性能方程精度的同时，有效地减少寻优时间，提高求解过程效率。 提出了增益一零极点分离的逼近技术 符号分析产生的性能方程的项数数目是巨大的，通常采用逼近技术对表达式进行处理：即通过 删除一些幅度较小的项，取得精度和项数之间的权衡。但是项数的删除会引起传输函数中零极点位 置的严重变化。针对这个问题，本文提出了增益一零极点分离的逼近技术，该技术在有效降低符号 性能方程项数的同时，防止了传输函数中零极点位置的偏离，确保产生的传输函数符合电路的实际 频域特性。 提出了改进算法一基于小生境的自适应遗传算法，并运用到求解模拟电路的性能寻优问题中 组成模拟电路的物理参数是离散点集，因此遗传优化算法适合于模拟电路性能优化问题。然而 在实践应用中，标准遗传算法会出现一些不尽如人意的地方，主要表现为：早熟现象、局部寻优能 力较差、运行效率低和参数选择问题。为了能有效地求解模拟电路的性能寻优问题，针对以上的不 足之处，本文在标准算法基础上，提出改进算法，并设计了相应的遗传操作包括选择操作、交叉操 作和变异操作，并通过一系列的测试函数的实验来验证改进算法的有效性。 形成了以遗传算法为基本运行框架的c m o s 模拟电路的自动优化工具包 7 东南大学博士学位论文 本研究对符号分析自动建模和寻优两个部分进行计算机编程，形成两个设计工具包。并通过程 序之间的接口文件，将这两个工具包无缝地结合起来，从而形成了个解决方案。其有几方面特点： ( 1 ) 具有层次化设计体系结构。这种结构能充分发挥自顶向下的系统设计的优势，是目前电路自动 化设计系统设计体系结构的主要发展方向；( 2 ) 能高效地自动建立电路性能的符号模型，从而提高 了整个设计系统的效率；( 3 ) 能够在电路性能符号方程基础上，有效地能对部分模拟c m o s 电路实 现自动优化设计，减轻设计人员的负担；( 4 ) 维护和扩展方便，能及时地把新的技术嵌入设计工具 中，实现升级。 1 3 论文的组织结构 本文总共包含七个部分。除去本章外，后续各章的内容如下： 在第二章中，首先介绍了模拟集成电路的设计自动化背景及重要性，并给出e d a 在模拟电路设计方 法流程的各个层次的发展概况；接着总结了自动综合的主要技术和各自的优缺点；最后详细地介绍符号 分析建模技术历史发展和相关的研究成果。 在第三章中，针对基于性能方程的最优化方法精度差的缺陷，本文采用了符号分析技术来改善这 缺点。因此在本章中，详细地介绍研究中所采用的关键技术一电路的符号方程组建立及求解技术。另外， 为了提高行列式的求解效率，本章在线性代数的基础上，采用了行列式中冗余量消除技术。最后通过对 密勒补偿二级运放和折叠式共源共栅运放的符号建模实验进行验证。 在产生电路的符号传输函数后，随之而来的问题是符号多项式的处理，因此在第四章中，本文着重 阐述符号逼近和零极点提取技术。为了解决精确度和网络传输函数的问题的同时，避免由于精度的变化 导致零极点位置发生严重变化的情况。本文提出了增益一零极点分离法，在有效降低符号多项式的同时， 没有明显地降低网络传输函数中零极点位置的精度。最后通过实验来说明提出技术的有效性。 为了更好地能实现模拟电路的性能优化，针对标准遗传算法的缺点，在第五章中，本文提出了一个 改进的遗传算法，从而在符号建模的基础上，快速地确定满足性能要求的电路参数。针对算法本身，作 者通过一系列的测试函数，来验证改进算法的有效性。 在上述章节的基础上，在第六章中，本文将所提出的基于性能方程的e m o s 模拟电路自动优化技术应 用于工程实践中，作者对两个实际工程项目- - 1 0 位1 8 0 _ l h z 流水线型模数转化器中的关键模块一增益增 强型运放和数字电视调谐器专用芯片内的带隙基准电压源实现自动建模和优化，详尽的仿真和测试结果 说明自动优化技术的有效性。 最后在总结与展望中，还将总结本文的研究成果，及需要改善提高的地方，明确将来的研究点。 8 第一章绪论 参考文献 【l 】杨华中，等面向微系统芯片的建模方法嗍北京：清华大学出版社，2 0 0 3 2 】i s k a n d e r r a m y ，m o h a m e d d e s s o u k y ，m a i ea l 弘s y n t h e s i s o f c m o sa n a l o g c e l l s u s i n g a m i g o c d e s i g n a u t o m a t i o na n dt e s ti ne u r o p ec o n f e r e n c ea n de x h i b i t i o n ，2 0 0 3i e e e 3 】3 n u m op a u l i n o ，j o a og o e s ，a d o l f os t e i g e r - g a r c a o d e s i g nm e t h o d o l o g yf o ro p t i m i z a t i o no fa n a l o g b u i l d i n gm o c k su s i n gg e n e t i ca l g o t i t h m s c c i r c u i t sa n ds y s t e m s ，2 0 0 1 ，i s c a s2 0 0 1 ，t h e2 0 0 1i e e e i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m o n ，v o l u m e ：5 ，6 - 9 m a y 2 0 0 1 【4 】yd e c a l ，j - bb e g u e r e t ，jt o m a s t o w a r da n a l o gc i r c u i ts y n t h e s i s ：ag l o b a lm e t h o d o l o g y b a s e du p o nd e s i g n o f e x p e r i n a e n t s j 】i n t e g r a t e dc i r c u i t sa n ds y s t e m sd e s i g n ，2 0 0 0 ，p r o c e e d i n g s ，1 3 t hs y m p o s i u m ，1 8 - 2 4 s e p t ，2 0 0 0i e e e 5 】李兴仁a d 转换器的自动综合) 】上海：复旦大学电子工程系，1 9 9 9 【6 】6 g i e l e ng c a dt o o l sf o re m b e d d e da n a l o g u ec i r c u i t si nm i x e d - s i g n a li n t e g r a t e ds y s t e m s0 1 1c h i p c o m p u t e r sa n dd i g i t a lt e c h n i q u e s c i e ep r o c e e d i n g sv o l u m e1 5 2 ，i s s u e3 ，6m a y2 0 0 5p a g e ( s ) ： 3 1 7 3 3 2 7 】l a n t s o vv t h ep r o b l e m sa n dc h a u g 器o fr fa n a l o ga n dw i r e l e s ss y s t e m sd e s i g nu s i n gm o d e mc a d t o o l s ； c 】c a ds y s t e m si nm i e r o e l e e t r o n i c s2 0 0 3p r o c e e d i n g so f t h e7 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e ，1 1 l c e x p e r i e n c eo f d e s i g n i n g d a p p h c 撕o no f1 8 - 2 2f e b 2 0 0 3p a g s ) ：4 0 - 4 3 8 】c r i p p ap ，t u r c h e t t ic ，c o a t im as t a t i s t i c a lm o sm o d e lf o rc a do fs u b m i e r o m e t e ra n a l o gi c s 【c 】 c i r c u i t sa n ds y s t e m s2 0 0 1p r o c e e d i n g so f t h e4 4 t hi e e e2 0 0 1m i d w e s ts y m p o s i u mo bv o l u m e2 ，1 4 1 7 a u g2 0 0 1p a g e ( s ) ：9 0 1 9 0 4 v 0 1 2 【9 c a r l e yl r ，g - i e l e ng ，r u t e n b a ri l as y n t h e s i st o o l sf o rm i x e d - s i g n a li c s ：p r o g r e s so nf r o n t e n da n d b a c k e n ds t r a t e g i e s c d e s i g na u t o m a t i o nc o n f e r e n c ep r o c d x l i n g s1 9 9 6 ，3 3 1 。3 - 7j u n e1 9 9 6p a g e ( s ) ： 2 9 8 - - 3 0 3 【1 0 g - i e l e n g ，r u t e n b a r r a c o m p u t e r - a i d e dd e s i g n o f a n a l o g a n dm i x e d - s i g n a l i n t e g r a t e d c i r c u i t s c p r o c e e d i n g so f t h ei e e ev o l u m e8 8 ，i s s u e1 2 ，d e c 2 0 0 0p a g e ( s ) ：1 8 2 5 - 1 8 5 4 【1 1 】杨华中，汪蕙，刘润生模拟集成电路的自动综合方法 m 】北京：科学出版社，1 9 9 9 9 东南大学博士学位论文 第二章模拟和混合电路的计算机辅助设计 本章将概括模拟和混合电路的计算机辅助设计的发展背景，并阐述在设计流程中e d a 工具在各个设 计层次中的作用；接着给出c m o s 模拟电路自动设计中各种方法的原理及其优缺点；最后出于自动优化 设计时间和效率的考虑，本文注重于基于性能方程的最优化方法的研究。鉴于其自身存在的精度差的重 大缺陷，引入了符号自动建模概念，并给出其发展历程及设计流程中的关键技术，给后续章节在概念和 原理上做一定的铺垫。 2 1 模拟电路设计流程 一个集成电路的设计说明可以从3 个方面加以描述：行为特征、结构和物理方面。为解决某一具体 问题，每一方面都有许多设计方案可供选择。例如在行为级，可以自由地选择串行算法和并行算法；在 结构方面，一开始并不限定采用哪类逻辑系列、时钟方案和电路结构 在物理级，如何利用芯片、印 制电路板来实现电路，对设计人员来说也有很多个选择方案。一个好的集成电路设计系统应该在这三个 设计方面的说明提供一致的描述。满足这要求后就可以用各种设计参数对设计系统进行权衡，这些设 计参数可以、汇总成以下各项：性能、芯片尺寸、设计时闻和测试生成的难易性。 考虑到模拟集成电路的设计规模和实际应用速度，目前大多数模拟电路设计者还在采用自下向上的 设计方法，虽然它在性能和芯片尺寸方面能够很好满足地要求，但延长了设计周期。所以模拟集成电路 急需一种采用自顶向下的设计方法，其应与目前普遍采用的数字电路e d a 工具的设计流程相类似。 在过去几年里，混合电路中模拟电路的复杂度已逐渐加大，不像数字电路部分，没有完整的自动综 合工具支持模拟电路设计。加利福尼亚大学的l a s s o n v a s s i l i o u 等人“1 提出了一种用于设计视频卡系统的 基于约束驱动的自顶向下设计方法。其主要思想为：将行为级描述进行各层次性能指标传递，直到版图 级。通常将模拟电路模块分解成较小的子模块( 例如比较器或滤波器) ，这些子模块的性能指标是由项部 模块的初始性能指标递推来的。在对每个子模块进行设计后，对其进一步分解使之变成更小模块。通过 这种方式，性能指标向下传递，直到版图生成，从而保证最终的设计能满足指标要求。此设计方法将自 顶向下综合过程与自下向上布局布线过程有机地结合在一起。由于流片费用是昂贵的，为了保证设计能 实现全部功能，并在制造容限窗( w i n d o wo f m a n u f a c t u r i n gt o l e r a n c e ) 中满足性能要求，所以还必须进行 验证。当设计流程中的某个阶段的设计不能满足要求时，就必须进行反复重设计( r e d e s i g n i t e r a t i o n ) 。 图2 1 模拟电路系统的设计流程 图2 1 描述了采用设计方法自顶向下的模拟电路设计流程，贯穿于设计过程的各层次说明如下： 概念设计( c o n c e p t u a ld e s i g n ) 1 0 第二章模拟和混合电路的计算机辅助设计 通常为产品概念层次。这一层次的主要任务是给出设计的性能指标。确定适当性能对能否商用来说