工作点驱动的模拟集成电路优化设计方法研究

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随着集成电路的不断发展,目前已经到了系统芯片以及混合信号系统芯片的时代,而模拟集成电路的设计仍是制约电路设计效率的主要因素,提高其自动化设计水平的任务迫在眉睫。优化设计是实现模拟电路设计自动化的必然措施,本文探讨了采用工作点驱动的优化设计方法。传统的优化设计其设计变量都是电路中各器件的尺寸,而基于工作点驱动的方法是以电路直流工作点上一组独立的器件电压、电流作为设计变量。这种方法源于对手工设计过程的类比。由于改变了电路的设计空间,因此可方便地表达设计时对电路工作区域的约束(即约束方程),也可使设计变量与设计目标之间的映射关系(即目标函数)变得更为简单,有利于优化算法的收敛。同时,由于更接近于传统手工设计,可使设计者更好地理解设计过程与设计结果,也为优化过程结合传统设计经验提供了可能。实现工作点驱动的优化,要解决的首要问题是如何从器件的工作点电压、电流获得器件尺寸及各种电参数。对目前大多数情况下的小尺寸MOS工艺设计,简单的平方律模型无法满足精度要求,本文为此提出用模糊逻辑建模的方法来完成这一任务。先利用HSpice等电路模拟器中内置的高精度MOS模型获得一组样本数据,再应用T-S模糊逻辑系统建立器件尺寸与工作点电压电流之间的关系模型。T-S模拟逻辑系统具有适应性强、几乎不需迭代、便于应用等优点。在上述工作基础上,本文研究了MOS电路工作点驱动、基于遗传算法的多目标优化设计。多目标优化获得的Pareto前沿解允许设计者从一组相互冲突的设计指标中做出最佳选择,是解决电路最优设计的根本途径。但基于NSGA-II遗传算法的多目标优化需要很大的计算量,尤其是需要调用电路仿真器进行电路性能指标计算时。采用先建立单个晶体管小信号参数的BSIM3v3级数值模型,再进行基于方程优化的方法,这样可快速求得较准确的多目标最优解,大大减少了计算量。文章最后对两种常见的CMOS运放电路进行了优化设计,证明了本文所采用方法的有效性。
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