Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica

EOLAB - Laboratorio di Microelettronica e Bioingegneria

Laboratorio di Progettazione Microelettronica

Simulazioni Monte Carlo in ambiente ADE XL

ANALISI MONTE-CARLO IN AMBIENTE CADENCE ADE XL

Le analisi Monte-Carlo sono delle analisi di tipo statistico che consentono di valutare la robustezza di un progetto

alle variazioni dei parametri di processo che si verificano in fase di realizzazione del dispositivo. Come esempio

vedremo come un’analisi Monte-Carlo permetta di ricavare la tensione di offset di un OTA. Per farlo realizzeremo

un OTA ed effettueremo una simulazione ad anello aperto in “DC” con un ingresso dell’amplificatore alla tensione

di VDD/2 e l’altro variabile nell’intero range di tensioni 0:VDD. In questo modo andando a visualizzare l’uscita

potremmo valutare la tensione di ingresso per cui la tensione di uscita commuta da 0 a VDD che risulta essere pari

alla tensione di offset + VDD/2. Per prima cosa dunque disegneremo lo schematico di un OTA e lo progetteremo

per avere un GBW = 10 MHz con un carico di 3 pF ed una corrente di polarizzazione di 20 uA (considerare uCoxP =

32 uA/V^2).

Figura 1 : Schematico dell’ampificatore a trasconduttanza (OTA)

Una volta dimensionato e creato il simbolo si procede con l’impostazione del testbench descritto precedentemente

come mostrato nella seguente Figura.

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Entrambi i generatori di tensione “INN” e “INP” sono settati al valore costante di VDD/2 (1.65 V). Successivamente

in fase di settaggio della simulazione il generatore “INP” verrà fatto variare tra 0 e VDD.

A questo punto apriamo l’ambiente di simulazione “ADE L” e impostiamo l’analisi in “dc” come mostrato in Figura.

Per fare in modo che il generatore “INP” vari selezioniamo all’interno della scheda “Sweep Variable” l’opzione

“Component Parameter” come mostrato

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Adesso è necessario indicare quale sia il componente su cui si vuole effettuare una variazione tramite il bottone

“Select Component”. Una volta cliccato si verrà rimandati allo schematico dove si dovrà selezione il generatore di

tensione cliccandoci sopra. Apparirà la seguente finestra

nella quale si dovrà indicare il parametro del generatore da far variare, nel nostro caso la vdc. Una volta cliccato

“OK” si ritornerà nelle impostazioni della simulazione e si dovrà indicare il range di variazione del parametro scelto

nel nostro caso 0 - 3.3 V come mostrato sotto.

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La Figura mostra il risultato della simulazione impostata precedentemente. Si può notare che la tensione di uscita

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commuta all’incirca quando la tensione di ingresso “INP” è pari a 1.65 V. Per valutare con precisione la tensione di

ingresso per cui l’uscita commuta facciamo ricorso al calcolatore. Per farlo facciamo click col tasto destro sulla

curva e scegliamo dal menu che appare la voce send->to calculator e apparirà la finestra sottostante.

Tra le funzioni presenti in basso nel calcolatore scegliamo la funzione “cross” e impostiamo i vari parametri in modo

da avere la soglia del crossing pari a 1.65.

Una volta terminato clicchiamo su “Apply” è l’espressione corrispondente verrà mostrata nel calcolatore. A questo

punto cliccando sul bottone l’espressione verrà esportata nell’ambiente di simulazione e lanciando

nuovamente la simulazione otterremo il valore della tensione di ingresso per cui la tensione di uscita commuta da

basso a alto, nel caso in esame pari a 1.665.

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Abbiamo già detto che la tensione di offset è pari alla differenza tra la tensione per cui l’uscita commuta e 1.65 V,

dunque nel nostro caso la tensione di offset dell’amplificatore progettato è pari a 15 mV. Al fine di calcolare poi la

variazione statistica della tensione di offset definiamo una nuova uscita di nome VOS pari alla differenza tra il valore

restituito dal cross e 1.65.

Vediamo ora come effettuare l’analisi Monte-Carlo. Per prima cosa è necessario lanciare un altro ambiente di

simulazione: Launch -> ADE XL.

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Nella finestra che comparirà scegliere l’opzione “Create New View” e nella successiva schermata premero “OK”.

A questo punto apparirà la finestra principale dell’ambiente di simulazione ADE XL

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Per impostare una analisi Monte-Carlo si deve dapprima procedere alla definizione di un nuovo “Corner” per la

simulazione. Per farlo cliccare sul “+” affianco alla scritta “Corners” nella parte sinistra della finestra. Una volta

fatto schiacciare sulla voce “Click to add corner” e comparirà la seguente finestra

Definiamo i modelli di simulazione cliccando sulla scritta “Click to add” sotto la voce “Model Files”. Apparirà la

seguente finestra

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Schiacciare su “Import from Tests” e i modelli appariranno nella finestra.

Infine clicchiamo “OK” e torneremo alla pagina di impostazione dei corner.

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Cliccando sul bottone “Add New corner” indicato nella figura potremmo poi procedere alla definizione della

sezione dei modelli da utilizzare. Infatti all’interno dei file dei modelli sono presenti varie sezioni, ognuna delle

quali è caratterizzata da un diverso set di parametri. Quella usata sinora è stata la sezione identificata come “Typical

Mean” ora dovremmo invece utilizzare la sezione “Monte Carlo” che viene indicata con le lettere “mc”.

La Figura mostra il risultato finale del processo di definizione del nuovo corner. E’ importante che all’interno della

sezione “Model Files” siano spuntati tutti i modelli dei dispositivi utilizzati (nel caso in esame sono spuntati i modelli

di transitor, resistori e capacitori) e anche il file processOption che definisce alcuni parametri di processo. Inoltre

come si può vedere per ogni file di modello dei vari dispositivi si è indicata come sezione da utilizzare quella il cui

nome termina con la sigla “mc” che identifica la sezione in cui sono definiti i paramteri Monte-Carlo. A questo

punto schiacciando OK si ritornerà alla schermata precedente. Ora dal menu indicato nella Figura sottostante

selezionare l’impostazione “Monte Carlo Sampling”. Per definire il numero di punti su cui effettuare l’analisi cliccare

sul bottone e impostare 50 punti.

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Una volta cliccato OK l’analisi Monte Carlo è impostata e potrà essere lanciato con il bottone .

Una volta terminata l’analisi si potranno vedere nella schermata dei risultati alcuni valori significativi come il valore

minimo, massimo, medio e la deviazione standard dei parametri sotto analisi, come mostrato nella Figura

sottostante.

Inoltre cliccando sul bottone e inoltre possibile visualizzare in forma grafica i risultati ad esempio mediante

un istogramma.

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