Tutorial sobre diseño mixto con Cadence

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1 Tutorial sobre diseño mixto con Cadence José Juan Martínez Rodríguez Instituto de Microelectrónica de Sevilla CENTRO NACIONAL DE MICROELECTRÓNICA - C.S.I.C. Versión noviembre de 2003 Este documento trata de constituir una guía de iniciación al diseño mixto con el entorno Cadence. Se presentan en él todos los pasos necesarios para una correcta realización de un diseño de señal mixta para así irnos familiarizando con este tipo de diseños. En concreto se escribió basándonos en el kit 3.40 de AMS, aunque en principio es válido para cualquier otro kit con las particularidades que pueda presentar cada uno y que se irán comentando conforme aparezcan. Consta de seis grandes apartados: - Inicialización y arranque del entorno - Realización del esquemático mixto - Creación de una vista config - Inicialización de la simulación con spectresverilog - Definición de los estímulos digitales - Definición del análisis y realización de la simulación

2 1 - Inicialización y arranque del entorno En primer lugar creamos un nuevo directorio de trabajo en nuestra cuenta (que llamaremos, por ejemplo, Cadence_02) y en él iniciamos la herramienta: Distribución 2001/2002, DFWII IC 4.46 MSR6, AMS Hit-Kit 3.40 (Europractice). En la ventana de arranque del entorno teclearemos el siguiente comando: % ams_cds -tech csx -tool artist -mode msfb & Figura 1: Ventana de arranque del entorno Con esto nos aparecerían las ventanas de comandos y de librerías propias de este entorno y con las cuales se supone que estamos ya familiarizados. 2 - Realización del esquemático mixto Para empezar este tutorial de diseño mixto debemos crearnos una nueva librería en nuestro directorio de trabajo que podemos designar con el nombre Mixto, por ejemplo. Una vez creada esta librería abriremos en ella un nuevo esquemático y dibujaremos el circuito mostrado en la figura 2 tomando el inversor de la librería Inversor que debemos tener de anteriores tutoriales (si no la tuviésemos creada nos remitimos al tutorial básico de introducción a Cadence), la celda digital de la librería HRDLIB (AND2), y los elementos analógicos (fuentes y tierra) de la librería analoglib. Esto se hace así porque en estas librerías es donde tenemos los elementos con sus correspondientes vistas spectres (para los transistores) y msps y cmos_sch para las celdas digitales, que son las vistas que necesitaremos para la correcta realización del diseño mixto. Instituto de Microelectrónica de Sevilla 1

3 Figura 2: Esquemático mixto de nuestro diseño Con los siguientes parámetros para los elementos del mismo: M1: Width = 10u, Length = 0.3u. M2: Width = 10u, Length = 0.3u. Vin: Voltage 1 = 0.0 V, Voltage 2 = 3.3 V, Rise time = 1n, Fall time = 1n, Pulse width = 1u, Period = 2u. VDD: DC Voltage = 3.3 V. 3 - Creación de la vista config Vamos a crear ahora la vista config de nuestro esquemático mixto. Para ello seleccionamos la celda correspondiente a nuestro diseño mixto en la ventana de librerías y seleccionamos File -> New -> Cell View y en la ventana Create New File escogemos la herramienta Hierarchy-Editor, con lo que automáticamente nos aparecerá config en View Name. Si ahora pulsamos sobre OK nos aparecerá la ventana de nueva jerarquía: Instituto de Microelectrónica de Sevilla 2

4 Figura 3: Ventana New Hierarchy Ventana que rellenamos tal y como se muestra en la figura. Una vez que la hemos rellenado correctamente pulsamos sobre OK y veremos entonces la ventana de edición de jerarquías: Instituto de Microelectrónica de Sevilla 3

5 Figura 4: Ventana de edición de jerarquías Esta ventana nos aparecerá tal y como se muestra en la figura siempre y cuando hayamos seguido rigurosamente todos los pasos indicados. Si por cualquier motivo no nos apareciera directamente así haríamos lo siguiente: en el campo Top Cell pulsamos sobre Open y seleccionamos manualmente la vista schematic de nuestro diseño mixto, que estará en la librería correspondiente. Una vez hecho eso, en la ventana de edición de jerarquías seleccionamos la opción Update situada en el campo View. Después de esto debe aparecernos ya la ventana tal y como se muestra en la figura 4. Salvamos la información de las jerarquías (File -> Save) y salimos del editor de jerarquías (File -> Exit). A continución abrimos la vista config de nuestro diseño mixto en la ventana de librerías. La ventana que aparece la rellenaremos tal y como se indica a continuación: Instituto de Microelectrónica de Sevilla 4

6 Figura 5: Ventana de apertura de configuración Una vez que pulsemos OK nos aparecerá el esquemático correspondiente a nuestro diseño mixto en una ventana de edición de esquemáticos. En dicha ventana seleccionamos Tools -> Mixed Signal Opts. para visualizar de nuevo las opciones de señal mixta (Mixed-Signal). Dentro de estas opciones seleccionamos ahora Display Partition -> Interactive y rellenamos la ventana que aparece tal y como se indica a continuación: Figura 6: Ventana Partition Display En esta ventana se indican los colores y estilos de presentación de las diferentes particiones de nuestro diseño mixto. Seleccionamos estos colores por ejemplo porque nos permiten una cómoda visualización de dichas particiones tal y como se verá a continuación. Una vez completada la ventana anterior tal y como se ha indicado pulsamos OK y en la ventana de edición de esquemáticos seleccionamos ahora la opción Mixed- Signal -> Display Partition -> All Active, mostrándosenos entonces todas las particiones activas. Concretamente veremos los elementos analógicos en naranja, los mixtos en amarillo, y los digitales en azul, tal y como se muestra en la siguiente figura: Instituto de Microelectrónica de Sevilla 5

7 Figura 7: Visualización de todas las particiones activas de nuestro diseño Si quisiéramos ver los diferentes elementos por separado seleccionaríamos la opción adecuada en cada caso (Mixed-Signal -> Display Partition -> Analog Only para los elementos analógicos, Digital Only para los digitales, Mixed Only para los mixtos, Unknown Only para los desconocidos, y Remove All para borrar todas las particiones activas). Hay que señalar que siempre resulta interesante echar un vistazo a la ventana de comandos para comprobar que los procesos se llevan a cabo correctamente, sin errores ni avisos. Si lo hacemos en este caso, veremos lo siguiente: Figura 8: Ventana de comandos después de crear y visualizar las particiones Instituto de Microelectrónica de Sevilla 6

8 Lo cual nos indica que no tenemos ningún error o aviso, así pues sabremos con ello que el proceso de creación de particiones se ha llevado a cabo satisfactoriamente, y vamos por buen camino. En general siempre que tengamos algún error o aviso, o simplemente queramos asegurarnos de los resultados o del estado en que se encuentre un proceso determinado, echaremos un vistazo a la ventana de comandos para salir de dudas. 6 - Inicialización de la simulación con spectresverilog Vamos a empezar ya las correspondientes simulaciones de nuestro circuito mixto. Para ello lo primero que hacemos es arrancar el entorno de simulación (que en esta versión del kit de AMS se denomina Analog Artist) seleccionando Tools -> Analog Artist. Seleccionamos a continuación la opción Setup -> Simulator/Directory/Host y escogemos como simulador spectresverilog, tal y como se muestra a continuación: Figura 9: Ventana Choosing Simulator/Directory/Host A continuación vamos a establecer los elementos de interfaz para nuestro diseño. Nos vamos a la ventana de edición de esquemáticos y seleccionamos la opción Mixed- Signal -> Interface Elements -> Default Options, y en la nueva ventana que aparece pulsamos OK. Figura 10: Ventana Interface Elements Default Options Instituto de Microelectrónica de Sevilla 7

9 Ahora seleccionamos los valores adecuados para estos elementos de interfaz. Para ello seleccionamos Mixed-Signal -> Interface Elements -> Library y rellenamos la ventana correspondiente como sigue: Figura 11: Ventana IE Model Property Editor para las entradas Para las entradas de los elementos de interfaz. Para las salidas lo haríamos como sigue (seleccionaríamos previamente output en la ventana anterior): Instituto de Microelectrónica de Sevilla 8

10 Figura 12: Ventana IE Model Property Editor para las salidas 6 - Definición de los estímulos digitales Una vez que hemos completado el apartado anterior regresamos a la ventana del simulador Analog Artist y definimos los estímulos digitales que queramos para la parte digital de nuestro circuito. En nuestro caso dichos estímulos serán muy simples porque tan solo tenemos una entrada digital (dig_in), a la cual daremos como estímulo una señal cuadrada de 500 ns de anchura. Para ello seleccionamos la opción Setup -> Stimulus -> Edit Digital, y tecleamos el siguiente código Verilog para nuestra señal en la ventana de edición de texto que nos ha aparecido: Instituto de Microelectrónica de Sevilla 9

11 Figura 13: Ventana de edición de estímulos digitales Una vez escrito el código Verilog correspondiente (que lo único que hace es definir nuestra señal digital de entrada como una señal cuadrada de 500 ns de anchura) nos salimos del editor vi (editor de texto típico de UNIX) tecleando :wq y pulsando Enter. Así pues, ya tendríamos definidos y almacenados nuestros estímulos digitales para la realización de la simulación. Los estímulos analógicos son las fuentes que tenemos en el esquemático, por lo que ya estaríamos en condiciones de definir el análisis que queramos realizar e iniciar la correspondiente simulación. 7 - Definición del análisis y realización de la simulación Para definir el análisis seleccionamos Analyses -> Choose en la ventana principal de la herramienta de simulación (Analog Artist) y definimos el siguiente análisis: Figura 14: Ventana de selección de análisis Instituto de Microelectrónica de Sevilla 10

12 Una vez definido el análisis seleccionamos las señales que queremos visualizar en el propio esquemático (Outputs -> To Be Plotted -> Select On Schematic). En nuestro caso nos van a interesar la salida del inversor y las señales digitales Din y Dout. Así pues, una vez seleccionadas arrancamos la simulación (Simulation -> Run) y veremos las siguientes formas de onda: Figura 15: Resultados de la simulación Como se puede apreciar, tenemos un funcionamiento correcto para nuestro circuito mixto, ya que la señal digital de salida (Dout) sólo es 1 cuando a la puerta lógica AND le entran sendos 1, tal y como cabía esperar. Para finalizar cerraríamos la sesión en el simulador seleccionando Session -> Quit, tras lo cual se nos preguntará si queremos salvar el estado a lo cual respondemos que sí si queremos guardar los datos y características del análisis realizado. Si lo hacemos así nos aparecerá la siguiente ventana: Instituto de Microelectrónica de Sevilla 11

13 Figura 16: Ventana Saving State En la cual podemos escoger concretamente qué queremos guardar de nuestro análisis y dónde queremos guardarlo. Nosotros pulsamos OK directamente, guardando así todos los datos y características de la simulación en state1. Así pues, con esto daríamos por concluido este breve tutorial sobre diseño mixto con Cadence no sin antes señalar que todo lo que se ha enseñado en tutoriales anteriores se puede aplicar a este tipo de diseños, por lo que no nos extenderemos más aquí sobre otros aspectos del diseño. Instituto de Microelectrónica de Sevilla 12