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Vendredi 3 mars 2006 ENST Paris – COMELEC – Jean Provost 1 / 33 MIEL – CBN – L3 Méthodes de caractérisation.

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1 vendredi 3 mars 2006 ENST Paris – COMELEC – Jean Provost 1 / 33 MIEL – CBN – L3 Méthodes de caractérisation

2 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

3 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 3 La cible technologique Fondeur AustriaMicroSystems CMOS 0,35µm Fondeur STMicrolectronics 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

4 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 4 La cible technologique valeurs des paramètres technologiques L df = 0,1µm W df = 0,5µm L jdf = 0,5µm k n = 492 µA V -2 kp = 172 µA V -2 V T0P = -0,22V t ox = 2nm C 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 V dd = +1V V T0N = +0,26V L D = 9nmL D = 5nm

5 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 5 Modèle capacitif du transistor MOS schéma du circuit équivalent G DS B C GSO C GDO C jS C jD Ids C GC C CB C GB C GB B D S G B

6 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 6 Modèle capacitif du transistor MOS quelques équations! C GC = W L 0 rox tox C CB = W L 0 rSi xd (Vgb) C GB = ––––––––––– 1 1 C GC C CB (Vgb) ––– + ––––– C GD = C GS ½ C'ox W L C DB = C SB = C j W L j + C jw 2(W+L j )

7 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 7 Le courant Ids du NMOS (résumé) quelques équations! Vgs = Vdd > V T0N Vgs = 0 V T0N Ids = 0 Vds < Vds < Vds sat Vds = Vds sat = Vgs - V T0N Vds > Vds sat

8 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 8 Exercice: amplification logique optimisation du temps de propagation Ln = Lp = Ldf Wnu = Wdf Wp = Wn*psn k = µ 0 *Cox psn = (équilibrage) kn kp Wn 2 = Wnu*kw Si: V T0N = |V T0P | u 2 CL=100Ceu tp

9 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 9 Exercice: amplification logique problématique u 2 CL tp al = tp INVu + tp INV2 tp tp INVu = tpu + dtpu*Ce INV2 tp INV2 = tp0 INV2 + dtp INV2 *CL tp0 INV2 ? tpu, kw dtp INV2 ? dtpu, kw Ce INV2 ? Ceu, kw

10 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 10 Exercice: amplification logique Ceu, Ce inv2 u Ce = C GCN + C GCP Ceu = C'ox*Ldf*Wdf*(1+psn) 2 Ce inv2 = C'ox*Ldf*Wdf*kw*(1+psn) Ce inv2 = Ceu*kw

11 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 11 u Cs = 2(C GDN +C GDP ) + C DBN +C DBP 2 Csu = C'ox*Ldf*Wdf*(1+psn) +Wdf* ( C j0N *L j +C j0wN *2(1+L j /Wdf) +psn(C j0P *L j +C j0wP *2(1+L j /Wdf) ) Cs inv2 Csu*kw Cs inv2 = kw*Wdf* [ C'ox *Ldf*(1+psn) + ( C j0N *L j +C j0wN *2(1+L j /kw*Wdf) +psn(C j0P *L j +C j0wP *2(1+L j / kw* Wdf)) ) ] Exercice: amplification logique Csu, Cs inv2

12 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 12 Exercice: amplification logique Rsu, dtpu, Rs inv2, dtp inv2 u dtp = Rs R DS0 Rsu d [kn*Wdf/Ldf*(Vdd-V T0N )] -1 2 Rs inv2 [kn*Wdf*kw/Ldf*(Vdd-V T0N )] -1 Rs inv2 = Rsu/kw dtp inv2 = dtpu/kw

13 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 13 u 2 tp 0inv2 = tpu tp 0 = Rs*Cs R DS0 *Cs tp 0inv2 = Rs inv2 *tp 0inv2 = Rsu/kw*Csu*kw tp 0u = tpu = Rsu * Csu Exercice: amplification logique tp0u, tpu, tp 0 inv2

14 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 14 Exercice: amplification logique kw opt kwopt = V CL/Ceu tp al = 2*tpu + dtpu*(Ceu*kw + CL/kw) u 2 CL tp CL = 100Ceu kwopt = 10

15 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: uu Vg Ve

16 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 16 Caractérisation: le signal standard Buts de la bibliothèque: être le plus «prévoyant» possible simplifier la conception de matériel Exemple le signal standard: Un signal CMOS Un temps maximal de transition: ttmax À lintérieur du circuit: i : tti ttmax, ttmax: temps de transition (montée et descente) à la sortie de 1 invu chargée par 16 invu

17 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 17 ttm=ttd=ttmax Ve le signal standard: ttmax caractérisation de la technologie uu Vg u Vs u1u1 u2u2 u 15 u 16 M=16

18 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 18 Cx ttm=ttd=ttmax Ve le signal standard: ttmax signal appliqué uu Vg X Cei Cx + Cei = 16*Ceu

19 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 19 Caractérisation: quels paramètres? Conditions Conséquences tp = tp 0 + dtp * C ext C ext = Cei e i, s k : ttm ttmax ttd ttmax tp0 entre chaque [e i, s k ] (en respectant ttmax) dtp sur chaque s k (en respectant ttmax) Ce sur chaque e i Cext max sur chaque s k (Cext telle que tt=ttmax) m et d

20 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 20 tpei Caractérisation: la capacité dentrée uuu X Cei Vg uuu tpxe Cxe Cei tp Cxe tpei = tpxe Cei = Cxe tpei tpxe

21 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 21 tt max Caractérisation: tp 0, dtp, Cext max X sk ei Vg uu Cx C ext tp 0ik + dtp k C ext tt k tt max tt k Cext max t C ext dtp k tp 0ik

22 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 22 Vdq = Vdd = Caractérisation: Puissance consommée à vide en µW Mhz -1 tt max X sk ei Vg uu Cx C ext tt k À partir de Pvdd, comment calculer la puissance consommée à vide, alors que Cext nest pas nulle? tt max tt k Cext max P, t C ext P vdd

23 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 23 Feuille de caractéristiques data sheet PinCap [fF] A8 B10 table de vérité A B Q 0 X 1 X capacités aire puissance 55 µm µm CMOSNA2 NA µW/MHz

24 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 24 Feuille de caractéristiques data sheet 0.35 µm CMOSNA2 Caractéristiques dynamiques: Tj = 27°C VDD = 3.3V Typical Process RiseFall Slope [ns] Load [pF] Delay A => Q Delay B => Q Slew A => Q Slew B => Q

25 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 25 Paramètres typiques Paramètres technologiques « slow » « typ » « fast » Température 150°C 27°C Tension dalimentation Dégradéee:+0,8V Nominale: +1,0V

26 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 26 Choix du jeu de paramètres Nombre de circuits validés Performance Rejetés par le fondeur slow typ fast

27 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 27 Simulateur électrique Eldo description 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 ) …

28 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 28 Simulateur électrique Eldo commandes 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 Extraction de paramètres.EXTRACT TRAN LABEL=nom_du_tableau-de_valeurs …

29 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 29 Simulateur électrique Eldo extraction 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

30 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 30 Simulateur électrique Eldo extraction de paramètres temps de propagation à la montée (logique impaire): … LABEL= tpm TPD DU (V(entree), V(sortie), VTH={alm*0.5}, OCCUR=1) tension temps alm 0 0 entree sortie tpm ½*alm

31 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 31 Simulateur électrique Eldo extraction de paramètres temps de propagation à la descente (logique impaire): … LABEL= tpd TPD UD (V(entree), V(sortie), VTH={alm*0.5}, OCCUR=1) tension temps alm 0 0 entree sortie tpd ½*alm

32 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 32 Simulateur électrique Eldo extraction de paramètres temps de propagation à la descente (logique paire): … LABEL= tpd TPD DD (V(entree), V(sortie), VTH={alm*0.5}, OCCUR=1) tension temps alm 0 0 entree sortie tpd ½*alm

33 ENST Paris : MIEL_CBN_L3 33 Simulateur électrique Eldo extraction de paramètres temps de propagation (logique différentielle):.DEFWAVE ediff={+V(e)-V(eb)}.DEFWAVE sdiff={+V(s)-V(sb)} … LABEL= tpm TPD DU (W(ediff), W(sdiff), VTH={0}, OCCUR=1) tension temps alm 0 0 e s tpm ½*alm eb sb


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