Virtuoso'nun çip üzerinde indüktör simülasyonunda 3DEM ile uygulanması
Shen Zhiyuan1, Wu Zhi1, Chen Guosheng1, Hu Jinsong2
(1. Shanghai Lattice Semiconductor Co., Ltd., Shanghai 200233; 2. Cadence Company, Shanghai 201024)
Şu anda, çoğu elektromanyetik simülasyon yazılımı çip üzerindeki indüktörleri simüle ettiğinde, gerekli ilgili parametreleri proses kütüphanesindeki dosyalardan manuel olarak çıkarmak gerekir; simülasyon ortamının kurulması da zahmetlidir ve simülasyon süresi daha uzundur, bu da kalite faktörünü büyük ölçüde azaltacaktır ve Optimize edilmiş alan verimliliği. 3DEM ile entegre edilmiş virtüöz, tüm düzenin bir bölümünü doğrudan seçebilir ve tüm indüktör düzenini çıkarmadan simülasyona aktarabilir; ve işlem kitaplığı dosyasına göre gerekli ilgili parametreleri otomatik olarak oluşturabilir ve simülasyon ortamını ayarlayabilir; simülasyon hızı, algoritmanın optimizasyonuna göre hızlı ve doğru bir şekilde elde edilebilir Sonuç çok yüksektir. Bu makale, yazılımın özel uygulama yöntemini, çip üzerinde endüktans simülasyon süreci aracılığıyla tanıtacaktır.
Virtüöz; 3DEM; çip üzerinde indüktör; elektromanyetik simülasyon
Çip üstü indüktörler, radyo frekansı yongalarında çok önemli cihazlardır ve birçok işlem üreticisi, işlem kütüphanesinde yonga üzerinde endüktör modelleri sağlar. Bununla birlikte, devrenin çalışma frekansı yükseldikçe ve yükseldikçe, birçok işlem kütüphanesinde sağlanan indüktör modelleri artık tasarım gereksinimlerini karşılayamaz ve müşterilerin, çip üzerindeki indüktörlerin boyut parametrelerini ihtiyaçlarına göre özelleştirmeleri gerekir. Bu durumda, doğru bir endüktans modelinin nasıl elde edileceği, projenin başarısında veya başarısızlığında çok kritik bir faktördür.
Mevcut ana yöntem, çip üzerindeki indüktörün düzenini simülasyon için elektromanyetik simülasyon yazılımına aktarmaktır. Bununla birlikte, elektromanyetik simülasyon yazılımı çip üzerindeki cihazları çok iyi desteklemiyor ve verileri içe aktarma ve bir simülasyon ortamı oluşturma süreci çok zahmetli, bu da nispeten az elektromanyetik simülasyon deneyimi olan Ar-Ge mühendisleri için büyük bir zorluk. Cadence tarafından PowerSI araçlarına dayalı olarak geliştirilen Virtuoso'ya gömülü 3DEM elektromanyetik simülasyon yazılımı bu sorunu iyi bir şekilde çözebilir.Basit çalışma yöntemi, basit ortam ayarı ve hızlı ve doğru simülasyon sonuçları, elektromanyetik simülasyon sürecini hızlı bir şekilde kavramaya yardımcı olur. , Doğru çip üstü indüktör simülasyon modeli elde etmek için.
1.1 Çip üstü indüktör modellemeye giriş
Tek portlu indüktörün manyetik alan gözünün merkezi boşluğu simetrik olarak dağıtılmış olmasına rağmen, elektrik alanı ve direncinin dağılımı asimetriktir ve ortak mod gürültü bastırma kapasitesi zayıftır. Bu nedenle, radyo frekansı entegre devrelerde, diferansiyel indüktörler daha yaygın olarak kullanılır.
Merkeze bağlı diferansiyel indüktörün eşdeğer modeli Şekil 1'de gösterilmektedir.
Şekil 1 Ortadan kılavuzlu diferansiyel indüktör modeli
Diferansiyel empedans, eşdeğer endüktans ve kalite faktörü hesaplama formülü aşağıdaki gibidir:
1.2 Temel simülasyon yazılımının kullanımı
Çip üstü endüktans modelini simüle etmek için, önce endüktansın yerleşim dosyasının çıkarılması gerekir ve endüktans metal yığın bilgilerini içeren bir dosya da gereklidir ve yerleşim verileri elektromanyetik simülasyon yazılımına aktarılır. Simülasyondan önce, simüle edilen cihazın geometrisini ve cihazın altındaki substrat katmanını içeren bir hava boşluğu oluşturmak gerekir. Ardından, alt tabaka tabakasının ve metal tabakanın elektriksel parametrelerini ayarlayın. Cihazın genel modelini ve ona bağlı metal kabloyu simüle etmek istiyorsanız, simülasyon zorluğu izlerin ve yolların şekline göre değişecektir.Çok karmaşık geometrik boyut, simülasyon veri hacmini ve simülasyon süresini büyük ölçüde artıracaktır. artırmak. Ana akım elektromanyetik simülasyon yazılımının akışı Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2 Ana akım elektromanyetik yazılım optimizasyonu simülasyon modeli süreci
Pafta dosyası içe aktarıldıktan sonra metal katman ile diğer dielektrik katmanlar arasındaki istifleme ilişkisinin işlenmesi gerektiği şekilden görülebilmektedir. Örtüşen parçalar varsa, bunların manuel olarak taşınmaları gerekir. Ek olarak, bazı yonga üstü cihazlarda, modelin sonuçları üzerinde çok az etkisi olan bazı sanal metaller bulunur.El ile çıkarma, hesaplama miktarını azaltabilir, ancak bu, model kurma iş yükünü artırır.
Son olarak, simülasyon sonuçlarını S-parametreleri olarak dışa aktarmak ve bunları devre şematik diyagramına veya simülasyon için devre ağ listesine dahil etmek gerekir.Eğer yinelemeli optimizasyonun tekrarlanması gerekiyorsa, bu işlem optimizasyon hızını büyük ölçüde azaltacaktır.
23DEM simülasyonu ve endüktans örneği tanıtımı
2.13DEM'e Giriş
3DEM, Cadence tarafından PCB kartı seviyesinde elektromanyetik elektromanyetik simülasyon yazılımına dayanan ve Virtuoso'ya gömülü olarak geliştirilen yeni nesil bir elektromanyetik simülasyon yazılımıdır. Virtuoso'nun yüksek popülaritesi nedeniyle, elektromanyetik simülasyonu doğrudan Ar-Ge ortamında gerçekleştirmek çok daha uygundur. Ve 3DEM, cihaz tarafından kullanılan metal katman ve dielektrik katmanın ilgili elektriksel parametrelerini otomatik olarak içe aktarmak için Cadence tarafından sağlanan karşılık gelen kitaplık dosyasına (genellikle ict dosyası) ihtiyaç duyar ve ayrıca her katmanın malzeme özelliklerini ve kalınlığını ayarlamak da çok uygundur. Ek olarak, 3DEM, simülasyonun ergodikliğini büyük ölçüde hızlandıran farklı proses açılarındaki proses dosyalarına dayalı farklı simülasyon modelleri oluşturabilir.Aynı cihaz için, farklı proses açılarının S parametreleri proje simülasyonu için çıkarılabilir.
Temel algoritmaya dayanan 3DEM modülü, karmaşık üç boyutlu yapıların performans parametrelerini doğru bir şekilde analiz edebilen IC, paket ve PCB yapıları için tam bir üç boyutlu sonlu elemanlar (3DFEM) algoritması kullanır. Tam dalga çözücüsü, sıfır dereceli ve birinci dereceden ızgaraları destekler Uyarlanabilir ızgara oluşturma yöntemi, sonuçların hızlı bir şekilde yakınsamasını sağlayabilir ve simülasyon doğruluğunu geliştirebilir. Elektromanyetik alan denklemi, simülasyon hızını bir büyüklük mertebesine yükselten gelişmiş bir model azaltma yöntemi ile çözülür. Gelişmiş bir düşük frekans algoritmasının benimsenmesi nedeniyle, düşük frekans bandında 3DEM'in doğruluğu ve kararlılığı büyük ölçüde iyileştirilmiştir.
Frekans tarama modunda, 3DEM, frekans alanındaki tüm öz-modların doğrusal bir kombinasyonuna eşdeğer olan KMOR frekans taraması yöntemini kullanır. Eğri uydurmaya dayalı diğer tarama yöntemlerinden farklı olarak, KMOR'un öz mod tabanlı yöntemi yanlış rezonanslar üretmezken, sıradan nokta nokta tarama yöntemi son derece yavaştır, bu nedenle KMOR tarama yöntemi doğru ve hızlıdır. Frekans taraması yöntemi.
3DEM, cihazın arayüz bilgilerini otomatik olarak tanımlayabilir ve oluşturabilir, bu sadece simülasyon modelini oluşturma zamanından büyük ölçüde tasarruf sağlamakla kalmaz, aynı zamanda nihai çıktı sonucunda da çözücü, arayüz tarafından sunulan parazitik parametreleri otomatik olarak çıkarır ve böylece sonucun doğruluğunu sağlar. . Ve 3DEM, Virtuoso ortamına entegre olduğu için, simülasyon çıktısının S parametreleri doğrudan devre şemasına geri açıklama eklenebilir ve simülasyon için bağımsız olarak adlandırılmış bir şema otomatik olarak oluşturulur.Mühendislerin yalnızca parametrelerin doğruluğunu doğrudan doğrulamak için önceki doğrulama platformunu yeniden kullanması gerekir. , Kullanması çok uygundur. Şekil 3, elektromanyetik simülasyon doğrulama sürecini göstermektedir.
Şekil 33DEM elektromanyetik simülasyon süreci
Simülasyonun performansını doğrulamak için, simülasyon doğrulaması için proses kitaplığındaki bir spiral indüktör seçilir.
2.2 Simülasyon ortamının başlatılması ve parametre ayarı
3DEM, Virtuoso'ya entegre edilmiştir, doğrudan indüktörün düzenini seçin ve açma yöntemini seçmek için sağ tıklayın, "Yerleşim EAD" seçeneğini seçin ve yardımcı arayüzü açmak için açılan düzen arayüzünde "Pencere Asistanlar 3DEM" seçeneğini seçin. Şekil 4'te gösterildiği gibi.
Şekil 43DE tam arayüz
Simülasyon sırasında ayarlanması gereken prosesle ilgili parametreler yardımcı arayüze entegre edilmiştir ve işlem çok basittir. Önce alt tabaka malzemesinin ayarını yapın Yardımcı arayüzde "İşlem" düğmesini seçin ve ayrı bir geometrik boşluk oluşturmadan doğrudan ayarlanabilen "Alt Tabaka Parametreleri" açılır penceresinde alt tabaka parametrelerini ayarlayın.
Daha sonra, metal malzeme ve dielektrik katmanın ilgili parametrelerini ayarlamanız ve açık proses ayarı arayüzünde proses bilgilerini eklemeniz veya düzenlemeniz gerekir. Açılır penceredeki "Köşe" sekmesinde, farklı işlem köşelerindeki işlem dosyalarını ekleyebilirsiniz; "Katman Eşleştirme" sekmesinde, 3DEM'deki yerleşim planına eşlenmesi gereken seviyeyi ayarlayabilirsiniz; "Geçişler" sekmesi ile basitleştirme yoluyla Parametreler. Ayarlar Şekil 5'te gösterilmektedir.
Şekil 5 İşlem parametrelerini ayarlama
İşlem parametreleri ayarlandıktan sonra, simüle edilmiş bağlantı noktasını ayarlamaya başlayabilirsiniz. İki tür 3DEM bağlantı noktası ayarı vardır: Bir PCELL bileşenini simüle etmeyi seçerseniz, bu bileşenin bağlantı noktası bilgileri yakalanabilir ve bağlantı noktasını ayrı olarak ayarlamanız gerekmez; ortak bir düzen bileşeni seçerseniz, "Seçim" seçeneğini kullanabilirsiniz Kart, bir alan çizmek için "EMBoundary" katmanını kullanın ve bu alanla kesilen metal, "Port" sekmesinin "Port Generation" düğmesi aracılığıyla otomatik olarak bir port olarak tanımlanabilir. İki bağlantı noktası ayarı Şekil 6'da gösterilmektedir.
Şekil 6 Bağlantı noktası ayarları
Yer düzleminin ayarlanması da çok basittir "DieGround" sekmesinde ilgili ayar seçeneğini seçin ve parametreleri girin.
Simülasyon parametrelerini ayarlamak için, 3DEM ayarlarında "Simülasyon" seçeneğini seçin ve açılır pencerede tarama modunu, simülatör seçeneklerini ve radyasyon sınırı koşullarını ayarlayın.
2.3 Simülasyon ve anti-açıklama çıktısı
Parametreleri ayarladıktan sonra, "Simülasyonu Başlat" ı seçin, Virtuoso simülasyonu başlatmak için Şekil 7'de gösterildiği gibi 3DEM simülasyon arayüzünü otomatik olarak açacaktır.
Şekil 7 Simülasyon arayüzü
Bunların arasında, "CuttingZoneSoc", orijinal izi otomatik olarak simülasyon boşluğunun kenarına kadar genişletir ve simülasyon son aracı, bu kısımda sunulan parazitik parametreleri otomatik olarak çözer, böylece simülasyon ayarının getirdiği sonuç hatası en aza indirilir. Gömme işleminin simülasyon ilkesi aşağıdaki gibidir:
(1) Önce endüktansın (uzatma kısmı dahil) S parametresini çözün;
(2) Genişletilmiş bölge "CuttingZoneSoc" içindeki kablolamanın parazitik S parametresini kısa devre açık yöntemine göre hesaplayın;
(3) Endüktans cihazının doğru S parametresi sonucunu elde etmek için parazitin bu kısmını toplam sonuçtan çıkarın.
Normal yonga üzeri endüktansın simülasyonu yaklaşık 30-40 dakika sürer ve aynı örnek için, ana akım elektromanyetik simülasyon yazılımı kullanılarak bazı basitleştirilmiş işlemlerden sonra bile simülasyon süresi 10 saatten fazla sürer, bu nedenle 3DEM'in hız avantajı çok açıktır. Simülasyon sonucu arayüzü Şekil 8'de gösterilmektedir.
Şekil 8 Simülasyon sonuçları
Simülasyon bittikten sonra, sonuçlar doğrudan devreye geri notlandırılabilir ve simülasyon çağrıları arasındaki ayrımı kolaylaştırmak için yeni bir şematik diyagram otomatik olarak oluşturulur.Bu fonksiyon simülasyon sürecinin optimizasyonunu kolaylaştırır.
2.4 Sonuçların karşılaştırılması
Simülasyon sonuçları, işlem kütüphanesindeki indüktörün frekans özellikleriyle karşılaştırıldı ve aynı örnek, üçüncü taraf elektromanyetik simülasyon yazılımı tarafından da simüle edildi. Sonuçların karşılaştırması Şekil 9'da gösterilmektedir.
Şekil 9 Simülasyon sonuçlarının karşılaştırılması
Sonuçların karşılaştırılması, simülasyon sonuçlarının endüstride yaygın olarak kullanılan elektromanyetik simülasyon yazılımı ile hemen hemen aynı olduğunu, ancak simülasyon hızının ve yazılım kullanım kolaylığının avantajlarının çok açık olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, RF Ar-Ge mühendisleri için Ar-Ge ve optimizasyonun hızını artırmak için çok pratik bir araçtır.
3 Gerçek projelerde 3DEM uygulaması
Yukarıdaki bölümler, çip üzerindeki indüktörlere uygulanan 3DEM'in elektromanyetik simülasyon yöntemini tanıtmaktadır.3DEM'in avantajı, yalnızca tek bir indüktörü simüle etmek değil, aynı zamanda belirli devre tasarımında elektromanyetik simülasyon için devre düzeninin bir bölümünü doğrudan seçmektir. Bu şekilde, elektromanyetik simülasyon yalnızca ilgili yerleşim planının herhangi bir bölümünde doğrudan gerçekleştirilemez, aynı zamanda düzeni ayrı ayrı çıkarmanın zorluğundan da kaçınılabilir. Simülasyon sonuçları gerçek çalışma koşullarına daha yakındır ve devre performansının simülasyon sonuçları daha güvenilirdir. 3DEM uygulamasını tanıtmak için örnek olarak HDMI 2.1 proje geliştirmedeki LC-VCO modülünün elektromanyetik simülasyonunu ele alalım.
Fonksiyon doğrulaması iki bölümden oluşur: ilk olarak endüktansın düzenini, 3DEM simülasyonunu seçin ve proses kütüphanesindeki parametrelerle karşılaştırın; ardından endüktans parametrelerini parazitik parametrelerle simüle etmek için endüktans artı bağlantı uzatma bölümünü seçin ve aynısını orijinal endüktans parametreleriyle gerçekleştirin Karşılaştırmak. Şekil 10, iki simülasyon düzeninin seçilen alanları arasındaki farkı gösterir ve Şekil 11 simülasyon sonuçlarını gösterir.
Şekil 10 Simülasyon alanı seçimi
Şekil 113DEM, süreç kitaplığı ve bağlantı parazit sonuçlarının karşılaştırılması
Yukarıdaki simülasyon karşılaştırması aracılığıyla, endüktans dışındaki bağlantının, radyo frekansı tasarımında çok önemli olan nispeten büyük parazitik parametreleri ortaya çıkardığı bulunmuştur. LC-VCO'nun frekans ayarlama aralığı doğası gereği küçük olduğu için, endüktans parametrelerinin tahmini sapması büyükse, nihai salınım frekansının frekans ayarlama aralığının dışına çıkması muhtemeldir ve hedef frekansa ulaşılamaz. 3DEM'in doğru parazitik parametre simülasyon sonuçları, Ar-Ge personelinin VCO tasarımını doğru bir şekilde ayarlamasına izin verir, böylece frekans ayarlama aralığı hedef frekansı iyi bir şekilde kapsayabilir. Simülasyon sonucu, test çipi ile doğrulandı, böylece 3DEM simülasyonunun doğruluğu doğrulandı.
4. Sonuç
Bireysel indüktör ve belirli VCO örnekleri aracılığıyla, Virtuoso'nun 3DEM ile entegre edilmiş elektromanyetik simülasyon yazılımının performansına aşinayım. Simülasyon sonuçlarını karşılaştırarak, 3DEM'in basit bir simülasyon yöntemine, hızlı bir simülasyon hızına sahip olduğu ve sonuçların doğruluğunun popüler elektromanyetik simülasyon yazılımı ile neredeyse aynı olduğu bulunmuştur. Bu nedenle, 3DEM, radyo frekansı cihazlarının modellenmesi ve simülasyonu için çok iyi bir seçimdir.
Referanslar
Liu Xiaocha.Çip üstü spiral indüktörlerin elektromanyetik özelliklerinin analizi.Şangay: Shanghai Jiaotong Üniversitesi, 2006.
Lu Lei, Zhou Feng, Tang Changwen, ve diğerleri Merkeze bağlı diferansiyel endüktansın eşdeğer modeli ve parametre çıkarımı. Chinese Journal of Semiconductors, 2006, 27 (12): 2150-2154.
RAMIREZ A Z. Yarı düzensiz düzlem şekli yaklaşımı ve modelleme yoluyla güç dağıtım ağı analizi.201516. Latin Amerika Test Sempozyumu (LATS), 2015: 1-6.
SAVIC J, ARIA P, PRIEST J ve diğerleri. Yüksek hızlı ağ uygulamaları için gelişmiş substrat teknolojilerinin elektriksel performans değerlendirmesi. 200959. Elektronik Bileşenler ve Teknoloji Konferansı, 2009: 1193-1199.
YU T, CHEN J, SHIH C.Yüksek hızlı uzun iletim hatlarının yapısını modellemek için verimli metodoloji.Elektronik Paketleme ve Sistemlerin Elektriksel Performansı (EPEPS), 2015 IEEE 24th, 2015: 113-116.
SINGH S, KUKAL T. 3DFEM'de açılı yönlendirme tekniği ile yüksek hızlı HDMI kanalında fiber dokuma etkisiyle indüklenen zamanlama çarpıklığı etkinleştiricisi. Elektronik Paketleme ve Sistemlerin Elektriksel Performansı (EPEPS), 2015 IEEE 24th, 2015: 163-166.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
