Dieser Artikel ist eine Zusammenfassung des Webinars von Paul Clewes, das Sie finden können .

Differenzverstärker wenden die Verstärkung nicht auf ein Eingangssignal an, sondern auf die Differenz zwischen zwei Eingangssignalen. Das bedeutet, dass ein Differenzverstärker auf natürliche Weise Rauschen oder Interferenzen eliminiert, die in beiden Eingangssignalen vorhanden sind. Die Differenzverstärkung unterdrückt auch Gleichtaktsignale. Mit anderen Worten, ein DC-Offset, der in beiden Eingangssignalen vorhanden ist, wird entfernt, und die Verstärkung wird nur auf das interessierende Signal angewendet. In den meisten realen Anwendungen ist das Differentialpaar mit einem Stromspiegel oder einer aktiven Last verbunden. Dadurch wird die erforderliche Siliziumfläche erheblich verringert und die Verstärkung stark erhöht.

Beim Differentialpaar im analogen Layout dreht sich alles um Balance. Daher müssen die MOSFETs für eine optimale Leistung angepasst werden. Das bedeutet, dass die Kanalabmessungen beider MOSFETs gleich sein müssen und das Routing symmetrisch sein sollte. Jeglicher Unterschied in den Parasiten der linken und rechten Seite des Differentialpaars verringert seine Leistung.

Wir können all diese Layout-Konzepte einfach mit einem herkömmlichen Schaltplaneditor und einem von Pulsic bereitgestellten Plugin demonstrieren. Das Plugin von Pulsic heißt Animate Preview und generiert ein DRC-sauberes Layout für eine analoge Schaltung, die in einen Schaltplaneditor geladen wird. Animate läuft im Hintergrund und erkennt automatisch Schlüsselstrukturen wie Differentialpaare und Stromspiegel. Es schränkt die Platzierung auch automatisch ein, um eine Platzierung in menschlicher Qualität zu generieren, einschließlich differenzieller Paare.

Animate erstellt mehrere Layouts für Ihre Schaltung und zeigt das Layout direkt in Ihrem herkömmlichen Schaltplan-Editor an.

Hier ist ein Bild, das das Plug-in-Fenster Animate Preview zeigt. Auf der rechten Seite des Fensters haben wir zahlreiche automatisch generierte Layouts. Alle diese Layouts sind für diesen einen Schaltplan. Unten haben wir die Einschränkungen. Diese Einschränkungen werden alle automatisch von Animate generiert. Und auf der linken Seite haben wir einige Statistiken für jedes der generierten Layouts.

Die mehreren anfänglichen Layouts von Animate sind auf der rechten Seite zu sehen.

Durch Klicken auf ein Differentialpaar wird seine Position in den Layouts hervorgehoben.

Wir können sehen, dass Animate das differenzielle Paar automatisch für uns erkannt und direkt auf dem Schaltplan einen Heiligenschein um die beiden Geräte im differenziellen Paar gezeichnet hat. Wenn wir uns die Einschränkungsoptionen ansehen, können wir sehen, dass animate diese beiden Geräte als differenzielles Paar erkannt hat und das Layout dieser beiden Geräte automatisch eingeschränkt hat, um das Routing innerhalb des differenziellen Paars auszugleichen und zu sehen, ob es möglich ist, es zu generieren ein Cross-Quad-Layout. Schauen wir uns noch eine weitere Option an, nämlich die Anzahl der Zeilen. Animate berücksichtigt automatisch die Anzahl von eins, zwei, drei und vier Reihen für die Geräte in diesem bestimmten differenziellen Paar.

Animate berücksichtigt alle verschiedenen Optionen und arbeitet die Permutation aus, die das beste differenzielle Paarlayout generiert, wobei die Anforderungen dieses differenziellen Paars und der Kontext, in dem es sich befindet, berücksichtigt werden. Nachdem Animate die Einschränkungen generiert hat, besteht der nächste Schritt darin, die zu generieren Layouts, die dann auf der rechten Seite des Bildschirms angezeigt werden. Wenn wir das Differentialpaar im Schaltplan auswählen, können wir das Layout überprüfen.

Wir möchten, dass jedes Gerät des Differentialpaars die gleiche geometrische Umgebung hat, weil dies bedeutet, dass alle Prozessvariationen oder LD-Effekte auf die Geräte ausgeglichen werden können. Der erste Schritt, um dies zu erreichen, besteht darin, dass Animate diese Geräte in einem regelmäßigen Raster platziert. Der zweite Schritt besteht darin, dass alle Abstände um das Differentialpaar herum identisch sein sollten. Wenn wir uns also den horizontalen Abstand ansehen, sollte der Abstand zwischen den Geräten ebenfalls identisch sein. In diesem Fall haben wir nur zwei Reihen. Wenn wir mehr als zwei Reihen haben, möchten wir, dass alle diese Lücken identisch sind, damit jedes der aktiven Geräte in unserem Differenzialpaar genau dieselbe geometrische Umgebung hat.

Nachdem wir unser Differentialpaar ausgewählt haben, können wir es in das Layout einkreuzen.

Polyheads sind mit kleinen gelben Pfeilen gekennzeichnet.

Hinsichtlich der geometrischen Umgebung wollen wir außerdem, dass die Geräte links und rechts die gleichen Nachbarn haben. Um das am Ende der Zeilen zu erreichen, hat Animate für uns Dummy-Geräte eingefügt. Dies sind die hellgrauen Geräte im Bild. Diese wurden automatisch von Animate eingefügt, da Animate erkennt, dass wir ein differenzielles Paar haben. Wir wollen auch, dass die Polyköpfe identisch sind. Wenn Sie genau hinsehen, können Sie sehen, dass die Polykopfrichtung durch einen kleinen Kreis gekennzeichnet ist. Alle Geräte in der oberen Reihe haben den Polykopf auf der Südseite, und alle Polyköpfe in der zweiten Reihe befinden sich auf der Nordseite des Geräts.

Um sicherzustellen, dass sich jedes dieser Geräte identisch verhält, und um Prozessvariationen über den Chip hinweg entgegenzuwirken, wird Animate nach Möglichkeit ein gemeinsames Zentroid-Layout bereitstellen. Wenn wir nur das linke Gerät im Schaltplan auswählen, können wir sehen, dass es gespreizt ist und das zweite Gerät die entgegengesetzte Diagonale hat, was bedeutet, dass die durchschnittliche Position dieser Geräte genau gleich ist. Die durchschnittliche Position ist in der Mitte. Mit anderen Worten, sie haben einen gemeinsamen Schwerpunkt oder gemeinsamen Schwerpunkt. Darüber hinaus möchten wir, wenn wir in Bezug auf das Routing vorausdenken, dass das Routing ausgeglichen ist, und deshalb hat Animate ein Cross-Quad-Muster verwendet. Cross-Quad ist von Natur aus ein häufiger Schwerpunkt, aber durch ein Cross-Quad hat Animate auch die Möglichkeit, das Routing auszugleichen, was wir als Nächstes sehen werden.

Cross-Quad-Design mit gemeinsamem Schwerpunkt.

Hinzufügen von Dummy-Geräten zu unserem Layout.

Wir können mit diesem automatisch generierten Differentialpaar-Layout einigermaßen zufrieden sein, aber es gibt einige Aspekte, die verbessert werden könnten. Nehmen wir an, wir sind mit der horizontalen Übereinstimmung zufrieden, die Animate erreicht hat. Aber vertikal können wir sehen, dass die Geräte nicht übereinstimmen. Die Nordkante dieses Geräts befindet sich neben dem Schutzring. Die Südkante befindet sich ebenfalls neben dem Schutzring, aber es gibt eine Lücke. Diese sind noch nicht vertikal angepasst. Mit diesem Plugin können wir diesen Abgleich ändern. Es gibt ein paar verschiedene Möglichkeiten, wie wir dies für differenzielle Paare tun möchten. Die erste Möglichkeit besteht darin, zusätzliche Dummy-Reihen über und unter dem Gerät hinzuzufügen. Wir können das in Animate über die Drag-and-Drop-Oberfläche tun. Wir wählen einfach aus, wo wir Geräte haben wollen, und wir können einfach zwei Reihen von Dummys hinzufügen. Und im Gegensatz zu einem herkömmlichen Layout-Editor ermöglicht uns der Editor von Animate nicht nur, die Struktur des Layouts zu steuern, sondern kümmert sich auch automatisch um alle DRC-Regeln für uns. Nachdem der Vorgang abgeschlossen ist, sind wir wieder bei einem sauber gerouteten DRC-Differentialpaar, jedoch mit den zusätzlichen Dummys.

Jetzt haben wir den horizontalen Abgleich, den wir zuvor hatten, und den vertikalen Abgleich jedes Geräts. Animate enthält Optionen zum Reduzieren der Breite dieser Dummy-Geräte, wenn dies für Ihr PDK geeignet ist. Sie können auch die Fingeranzahl der End-of-Row-Dummies erhöhen. In dem Beispiel ist es auf einen einzelnen Finger reduziert, aber Sie können eine Option angeben, um zu sagen, dass ich dieselbe Fingerzahl wie die aktiven Geräte haben möchte.

Eine Alternative zum Hinzufügen der Dummys besteht darin, stattdessen die gleiche Schutzverstärkung auf jeder Seite der Geräte zu haben, und dies kann auch im Drag-and-Drop-Editor von Animate erfolgen. Wir können das tun, indem wir zuerst den Schutzring auswählen, und uns werden zahlreiche Ankerpunkte präsentiert. Wir ziehen dann die Bewehrung zwischen diesen Ankerpunkten. Animate wiederholt das Routing erneut und bringt uns zurück zu einem sauberen DRC-Layout.

Nun zum Routing. Wir werden die Detailansicht verwenden, damit wir das Routing sehen können, das animate berücksichtigt hat. Wir haben zwei Ziele mit dem Routing des Differentialpaars. Erstens möchten wir, dass jedes Metall, das sich über oder um die aktiven Bereiche der Geräte befindet, identisch ist. Zweitens möchten wir, dass die Parasiten der linken und der rechten Seite des zu symmetrierenden Differentialpaars gleich sind.

Wir können das Drag-and-Drop-Werkzeug verwenden, um neue Schutzringe zu zeichnen.

Eine Metallschicht ist bei beiden Geräten identisch.

Wir kümmern uns nicht so sehr darum, was diese Parasiten sind, aber wir wollen, dass sie ausgeglichen sind. Sehen wir uns zunächst an, ob das Metall für jeden Zug identisch ist. Dies ist das Poly für unser differenzielles Paar, und wenn wir durch die Schichten gehen, können wir sehen, dass Metall eins, Metall zwei und Metall drei für dieses Gerät genau gleich sind.

Auf Metall vier sehen wir zum ersten Mal ein Routing, das über die Geräteoberseite geht, aber wo wir es über die Geräteoberseite geführt haben, ist das Metall für jedes der aktiven Geräte genau gleich. Animate hat das erste Ziel für ein differenzielles Paar erreicht. Machen Sie das Metall für jede Einheit in jeder der Metallschichten genau gleich.

Die nächste Anforderung besteht darin, das Routing auszugleichen. Wir möchten also, dass die beiden Eingänge links und rechts ausgeglichen sind, und wir möchten, dass die interne Führung der Drains ausgeglichen ist. Wir möchten, dass die Parasiten dieser Elemente identisch sind, und der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, eine identische Geometrie für die linke und die rechte Seite zu haben.

Das Routing auf Metall vier ist für alle aktiven Geräte gleich.

Wir können die Verbindungen auf der zweiten und dritten Metallschicht sehen.

Schauen wir uns nun die Gate-Verbindungen an. Diese werden auf der zweiten und dritten Metalllage geführt. Wir können die Cross-Quad-Verbindungen sehen, wir können nicht genau die gleichen Layer abgleichen, weil wir einen Kurzschluss bekommen würden, aber wir können sehen, was Animate hier getan hat. Indem wir wiederum jedes der Gates auswählen, können wir sehen, dass sich das Routing auf verschiedenen Ebenen befindet, aber die Geometrie identisch ist, Breite die gleiche Breite und Länge, und daher sind diese beiden Netze so ausgewogen wie möglich.

Ok, wir haben die Parasiten innerhalb des Differentialpaars ausgeglichen. Aber der parasitäre Ausgleich sollte nicht einfach innerhalb des Differentialpaars enthalten sein. Wir sollten auch ausgleichen, mit welchem ​​Differentialpaar verbunden ist. Und die häufigste Topologie besteht darin, dass das Differentialpaar mit einem Stromspiegel verbunden wird.

Der aktuelle Spiegel hat seine eigenen Anpassungsanforderungen. Wir versuchen, die beiden Beine des aktuellen Spiegels mit der Referenz abzugleichen. In diesem Fall wurde die Diode in der Mitte platziert und die beiden Schenkel wurden diagonal um die Außenseite der Diode platziert, sodass der Stromspiegel selbst ein gemeinsames Schwerpunktlayout erreicht. Darüber hinaus denkt Animate über die Wechselwirkungen zwischen dem Stromspiegel und dem differenziellen Paar nach. Wir können sehen, dass das Tool das Differentialpaar und den Stromspiegel so angeordnet hat, dass sie eine gemeinsame Symmetrielinie haben. Sie wurden auch so angeordnet, dass das Routing zwischen diesen beiden Strukturen so einfach wie möglich ist. In dieser Schaltung ist M10 mit M20 und M11 mit M19 verbunden, sodass wir hier sehen können, dass der Stromspiegel der unteren Reihe mit der oberen Reihe des Differenzialpaars ausgerichtet ist und daher das Routing so einfach wie möglich ist.

Offensichtlich hängen die speziellen Muster, die Sie benötigen, davon ab, wo der Stromspiegel in Verbindung mit dem Differentialpaar platziert ist. Es macht keinen Sinn, das perfekte Differentialpaar-Layout isoliert zu finden, da es wirklich davon abhängt, womit und wo es platziert wird.

Detailansicht des Stromspiegels und des differentiellen Paar-Routings.

Hier ist eine allgemeine Ansicht der Platzierung des Differentialpaars und seines Stromspiegels. Betrachtet man die Parasiten des Differentialpaars und des Stromspiegels, können wir, wenn wir das erste Bein auswählen, das Routing auf der rechten Seite hier zwischen dem Stromspiegel und dem Differentialpaar, und wenn wir das andere Bein auswählen, können wir es sehen Sie, dass es die gleiche symmetrische, ausgewogene Form hat. Die Parasiten werden nicht nur innerhalb der differentiellen Paarstruktur ausgeglichen, sondern auch zwischen dem differentiellen Paar und dem Stromspiegel. Das bedeutet, dass die gesamte Struktur ausbalanciert ist.

Okay, bisher haben wir uns nur das Differenzialpaar und den Stromspiegel angesehen, aber Sie fragen sich vielleicht, ob es eine zusätzliche Verkabelung zu anderen Geräten gibt, sollten wir nicht auch die Parasiten dieser Geräte ausgleichen, damit die gesamte Struktur ausgeglichen ist?

Eine übliche Methode, um diese Anforderung zu erfüllen, besteht darin, ein schmetterlingsartiges Layout mit einer vertikalen Symmetrielinie zu erzeugen. Wir hätten dann eine linke Seite, die genau die rechte Seite widerspiegelt. Um dies zu erreichen, ist eine gängige Technik eine Halbzelle, bei der Sie die Hälfte der Geräte in einen Schaltkreis stecken, den Sie auf der linken Seite auslegen und dann kopieren, einfügen und umdrehen, um die rechte Seite zu erzeugen. In Animate kann dies direkt erreicht werden, ohne dass eine Halbzelle generiert werden muss. Wir können das tun, indem wir auf die Registerkarte Stil gehen und den analogen Stil der gespiegelten Basis auswählen.

Für diesen Layout-Stil benötigt Animate einige zusätzliche Informationen, es muss wissen, welche der Geräte auf der linken Seite und welche Geräte auf der rechten Seite der Spiegelsymmetrie sein sollten. Wie bei den anderen Einschränkungen von Animate müssen Sie diese Informationen jedoch nicht manuell eingeben. Animate versucht, diese Daten automatisch zu generieren und zeigt sie dann mit diesen roten und grünen Farben im Schaltplan an.

Animieren Sie die Stilregisterkarte für Ihren Schaltplan.

Hier gibt es verschiedene Indikatoren: Eine rote Träne bedeutet, dass das Gerät auf der linken Seite der Spiegelsymmetrie platziert wird, und eine grüne Träne, dass das Gerät auf der rechten Seite platziert wird. Diese Tränen sind verbunden, um anzuzeigen, dass sie symmetrische Partner sind. Wir haben auch zwei Halbkreise; was bedeutet das? Nun, das bedeutet, dass wir ein M-Faktor-Gerät haben und die Hälfte des M-Faktors auf der linken und die Hälfte auf der rechten Seite platzieren möchten. Sie können dasselbe Symbol über den Widerständen sehen, obwohl sie einen M-Faktor von eins haben. Animate teilt die Widerstände für uns tatsächlich in zwei Teile, damit die Hälften symmetrisch platziert werden können. Sie werden feststellen, dass die Streichholzstrukturen ihre eigene Farbe haben, weil Streichhölzer ihre eigenen internen symmetrischen Anforderungen haben. Animate hat nun zahlreiche neue Layouts in diesem neuen Stil generiert. Wenn wir das Differentialpaar im Schaltplan auswählen, können Sie sehen, dass das Differentialpaar in der Mitte auf der vertikalen Symmetrielinie platziert wurde und die anderen Geräte von diesem zentralen Bereich wegstrahlen, sodass jeder der Parasiten auf der linken Seite liegt sind mit denen auf der rechten Seite für den Block ausgeglichen. Animate hat automatisch ein Layout im Schmetterlingsstil erreicht.

Zusammenfassung

Für eine optimale differentielle Paarleistung:

• Die Kanalabmessungen beider MOSFETs müssen gleich sein.
• Die Platzierung sollte unter Berücksichtigung von LDEs angepasst werden.
• Metall sollte für jede MOSFET-Einheit identisch sein.
• Das Routing sollte innerhalb des differentiellen Paares symmetrisch (R&C) sein.
• Das Routing zwischen Stromspiegel und Differentialpaar sollte ebenfalls ausgeglichen sein.
• Mit dem Schmetterlingslayout kann ein Ausgleich für den gesamten Block erreicht werden.
• Mit dem Differentialpaar auf einer vertikalen Symmetrielinie platziert.

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