混合滤波电路可制造性优化设计

1、pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第25卷第2期 2005 年 5 月 V o l 25, N o. 2 . 固体电子学研究与进展 M ay. , 2005 R ESEA RCH & PRO GR ESS O F SSE 材料与工艺 混合滤波电路可制造性优化设计 焦慧芳1, 2 贾新章1 曾志华1 ( 1 西安电子科技大学微电子学院, 西安, 710071 ( 2 信息产业部电子五所, 广州, 510610 2003204229 收稿, 2003208218 收改稿 摘要: 以统计最优化方法为理论指导, 利用 PSP ICE 电路模拟

2、软件中的统计优化模块和参数扫描功能, 对混 合滤波电路进行了针对成品率的可制造性优化设计, 提高了该产品的设计成品率, 达到了批量生产的要求。 同 时, 从中提升出基于 PSP ICE 平台的电路可制造性优化设计技术。 关键词: 成品率; 优化; 蒙特卡诺分析; 可制造性 the sta t ist ic op t i iza t ion m odu le and p a ram eter sw eep m odu le of PSP ICE EDA softw a re to m op t i ize m anufactu rab ility design a i ing a t y iel

3、d of a hyb rid filter circu it, w h ich i p roves the m m m . design y ield of the circu it, and is su itab le fo r m a ss p roduct ion a s w ell Fu rther m o re, th is p ap er ex t ract s the techn ique fo r m anufactu rab ility op t i iza t ion design a i ing a t the p roduct ion m m y ield of ICs

4、 ba sed PSP ICE from the exp eri en t. m EEACC: 2890 Key words: production y ield; opti iza tion; M on te Carlo ana lysis; manufacturab il ity m 1引言 电路制造技术高速发展的动力是其本身独特 的优越性及其对社会、 科技、 经济和军事的推动作 用。 从市场决策来说, 电路的可制造性主要取决于 E 2 ail: jadehf 163. net m 中图分类号: TN 713文献标识码: A 文章编号: 100023819 ( 2005 022271205

5、 1, 2 1 1 JI AO H u ifang J I X inzhang ZEN G Zh ihua A 2 The Techn ique for M anufacturab il ity O pti iza tion m D esign A i ing a t the Y ield of ICs m ( 1S chool of M icroelectron ics X id ian U n iv ersity , X i , 710071, CH N an ( T he N o. 5 E lectron ic Institu te of Inf orm a tion Ind ustry

6、 M in istry , Guang z hou , 510610, CH N Abstract: A cco rd ing to the theo ry d irect ion of the sta t ist ic op t i iza t ion, th is p ap er u ses m 投入产出比, 反映到产品生产的关键指标就是成品 率。 提高成品率的方法有很多种, 主要集中体现在 产品设计和制造阶段, 两者比较而言, 设计成品率 起决定作用, 制造对设计成品率起保障作用。 要提高设计成品率, 必须对电路进行最优化设 计。 电路的最优化设计是建立在计算机辅助设计基 272 固体电

7、子学研究与进展 25 卷 础上, 利用数学规划理论和电路模拟工 具相结合的 过程。 要提高成品率进行可制造性优化设计, 仅考 虑性能优化是不够的, 必须由原来确定性方法向随 机和统计性方向发展。 所谓确定性最优化方法是指 设计变量在优化过程中不存在随机起伏, 这类方法 又称为零容差最优化方法。 统计最优化方法是指设 计变量是随机变量, 这类方法实质是确定随机变量 在最优条件下的平均值和偏差值。 本文就是以统计最优化方法为理论指导, 利用 PSP ICE 电路模拟软件中的统计优化模块和参数 扫描功能, 对某厂研制的混合滤波电路进行了针对 成品率的可制造性优化设计, 提高了该产品的设计 成品率,

8、使其达到了批量生产的要求。 提高电路的 可制造性有很多优化设计方法, 不同的电路拓扑设 计、 不同的优化判据设置对电路的成品率存在决定 性的影响。 但本文的研究是在电路拓扑设计已优化 确定的基础上, 研究电路中元器件容差对成品率的 影响, 通过优化电路中元器件的容差范围, 实现电 路可 制 造 性 优 化 设 计。 同 时, 从 中 提 升 出 基 于 PSP ICE 平台的电路可制造性优化设计技术。 在实际的电路中, 采用的元器件值不可能完全 相同, 而是具有一定的分散性, 这样实际组装电路 的电特性就不可能与标称值模拟的结果完全相同, 也呈现出一定的分散性。 为了模拟实际生产中因元 器 件

9、 值 的 分 散 性 所 引 起 的 电 路 特 性 分 散 性, PSP ICE 模拟软件提供了蒙特卡诺分析功能。蒙特 卡诺分析的目的是了解电路特性的统计分布规律, 通过与规范值相比较, 就可以得到满足规范要求的 电路所占的比例成品率。 也就是说, 通过对电 路进行蒙特卡诺分析可以达到成品率分析的目的。 电路优化设计时, 在满足一定的成品率的基础上, 应使各元器件的变化范围尽量的大, 即元器件容差 范围尽量大、 精度尽量低, 这样可降低产品的成本。 在进行蒙特卡诺分析时, 首先要根据实际情况 确定元器件值分布规律, 然后多次 “重复” 进行指定 的电路特性分析, 每次分析时采用的元器件值都从

10、 元器件值分布中随机抽样, 这些元器件值不会完全 相同, 从而较好地代表了实际变化情况。 当元器件 值分布规律确定后, 如何描述其变化规律成为首要 问题。 描述元器件参数的变化规律主要从以下四方 面来考虑: 要考虑哪些参数的变化; 参数按什 么模式变化; 参数变化服从什么分布; 变化范 围多大等。 在 PSP ICE 中, 这些问题都是通过对元 器件模型参数的设置完成的。 其中有几个在模拟分 析中要特别注意的问题: 确定需要变化的参数必须 用 PSP ICE 中专门提供统计分析用的元器件符号 库BR EA KOU T 中的 符号; PSP ICE 中仅提供 了正态分布和均匀分布两种分布模型,

11、一般元器件 的分布都属于正态分布, 但针对个别特殊情况, PSP ICE 软件也提供了分布规律设置功能, 供用户 将符合实际情况的参数变化添加进去; 参数变化的 模式是指多个元器件值按同一变化规律变化相同 的值 (LO T , 还是这几个元器件值各自独立变化 (D EV 两种情况, 其中 LO T 情况主要是针对集成 电路中的元器件, 如硼扩电阻等; 在进行蒙特卡诺 分析时, 可以设置随机抽样时产生随机数所用的 “种子数”其值必须为 1 32767 范围内的奇数。 , 最坏情况分析是以灵敏度分析为基础的, 灵敏 度分析决定了各元器件参数最坏变化的方向。 而灵 敏度分析又是在标称值分析的基础上进

12、行的。 所谓 某参数的灵敏度分析就是将该参数值扩大 ( 1 + 0. 1% 倍后进行一次电路分析, 将分析结果与标称 值分析结果对比, 确定出使电路特性变坏的元器件 2 P SP ICE 模拟软件的统计分析模 块 PSP ICE 模拟软件中统计分析模块有两个: 一 个是蒙特卡诺 (M on te Ca rlo 分析模块, 另一个是 最坏情况 (W o rst 2 se A na ly sis 分析模块。 蒙特卡 Ca 诺方法属于容差分析方法的一支, 其目的是全面了 解电路特性的统计规律。 它利用计算机产生具有各 种概率分布的伪随机数, 并通过构造随机模型, 得 到如多元函数积分、 积分方程组、

13、 线性方程组以及 椭圆型偏微分方程等问题的解。 蒙特卡诺求解各类 问题时, 始终将原问题与求随机函数的平均值问题 联系起来。 它通过在计算机上产生随机样本, 并计 算不同样本下随机函数的估计量, 用这样的估计量 去逼近原问题的解。 最坏情况分析是指在设计参数 的可行域中, 寻找电路特性函数的最大值和最小值 所对应的设计参数。 最坏情况是一种极端情况, 在 实际中出现的概率极低。 但是最坏情况分析的结果 从一个方面反映了电路设计质量的好坏。 显然, 如 果最坏情况都能满足规范要求或与规范要求差距 不大, 那么将这种电路设计用于实际生产中时, 成 品率一定很高。 2 期 焦慧芳等: 混合滤波电路可

14、制造性优化设计 273 参数变化方向即最坏变化方向。 然后根据各元 器件参数的容差, 按最坏变化方向对相关的元器件 参数取值, 进行电路分析, 得到的分析结果就被称为 最坏情况分析结果。 相关的元器件是综合考虑有参 数变化范围的元器件, 及对电路性能有直接影响的 元器件来确定的, 需要经过一定的电路分析确定。 的介绍可知, 蒙特卡诺分析模块和最坏情况分析模 块仅仅是成品率分析评价的工具, 这两个模块本身 并不能实现电路的可制造性 优化设计, 要实现电路 的可制造性优化设计, 还必须结合电路结构分析和 参数扫描分析才能完成可制造性优化设计。 针对成品率的电路可制造性优化设计技术流 程应该是: 电

15、路功能模拟电路结构分析蒙特卡 诺分析、 最坏情况分析参数扫描分析然后再一 次进行蒙特卡诺分析、 最坏情况分析的闭环过程, 其流程如图 1。 3电路的可制造性优化设计技术 从上一节 PSP ICE 模拟软件的统计分析模块 图 1针对成品率的可制造性优化设计流程 F ig. 1T he flow cha rt of the yield op ti iza tion design m 在进行实际的电路可制造性优化设计过程中, 有几个值得注意的问题: 虽然 PSP ICE 软件中蒙 特卡诺分析和最坏情况分析模块是进行电路可制 造性优化设计的最重要的工具, 但是电路结构分析 是成功的前题, 除掌握软件工

16、具应用技术, 更重要 的是对电路结构透彻地理解和分析。 通过电路结构 分析确定出影响成品率的关键元件, 要对电路结构 做出正确的分析, 必须要求分析人员具有良好的电 路背景知识, 或者模拟优化工作有设计人员的参 与、 配合。 蒙特卡诺分析仅给出了电路性能参数 的分布, 必须根据其分布参数, 计算出成品率。 计算 成品率的方法有多种: 直接统计法、 分布参数统计 计算法及优化拟合法。 直接统计法就是统计符合规 范的参数所占的比例; 分布参数统计计算方法, 可 以用数理统计理论中的点估计法确定分布参数, 进 而确定概率分布密度函数来计算成品率; 优化拟合 法就是采用非线性最小二乘拟合算法, 优化提

17、取母 体分布的分布参数, 然后用概率分布密度函数来计 算成品率。 从工程应用角度考虑, 三种方法的计算 结果差别不大。 从数理统计原理考虑, 采用优化提 取方法得到的结果应该更符合实际情况。 笔者已开 发了相应软件, 自动完成优化提取工作, 本文后面 给出的成品率计算方法都是采用优化提取方法计 算得到的。 蒙特卡诺分析有可能出现比最坏情况 274 固体电子学研究与进展 25 卷 分析还差的情况, 这是因为蒙特卡诺 (M C 分析中 电路元件参数的变化范围, 如 1% , 并不是其变化 范围的绝对值。在 M C 分析中, 元件参数值是以这 个范围为标准偏差, 按照正态分布来随机取值的。 所以,

18、不可避免的会有个别元件参数值的变化范围 超出这个限制, 从而导致了电路整体性能比最坏情 况分析时的结果还差。 4应用实例 对某厂生产的带通滤波电路进行了针对成品 率的可制造性优化设计。 在带通滤波器生产中, 影 响成品率的因素有多种, 包括高低端截止频率、 传 输比 、 带内波动、 带外衰减等电路特性指标都会影 响产品的成品率, 但是实际生产中发现影响成品率 最为明显的还是 “相位一致性” 这个特殊问题。 相位 一致性是指不同滤波电路在同一个频率点上工作 时的相位差异。 该滤波电路要求在带通范围内, 不 同的滤波电路之间在同一频率点的相位延迟差异 不能超过±2 ( 度 。 显然, 相

19、位一致性并不是电路的 一个设计指标, 在电路设计过程中并不涉及相位一 致性问题。 在实际生产中, 由于元器件的分散程度 影响成品的相位一致性, 成为影响成品率的一个关 键因素。 优化设计前, 该带通滤波电路相位一致性成品 率大约在 20% 左右, 完全不适合批量生产。利用针 对成品率的可制造性优化设计技术, 对关键元器件 进行了容差设计, 使产品的成品率达 84% 以上。本 文定量分析相位一致性成品率与关键元器件精度 的关系, 完成元器件的容差设计和产品的可制造性 分析, 取得提高成品率和合理选定元器件精度的综 合效果。 通过电路结构分析, 确定出影响滤波电路相位 延迟的关键元器件是一组电阻和

20、一组电容。 初始设 计时, 这些关键电阻值和电容值的容差范围都为 5% , 进行蒙特卡诺分析, 模拟由于上述关键元器件 容差引起的 400 个滤波电路产品在指定频率点 ( f = 125 H z 的相位延迟数据, 数据见图 2。在指定频 率点 ( f = 125 H z、 000 H z、 200 H z 优化提取方 1 3 图 2 f = 125 H z 时初始设计相位分布直方图和正态 分布拟合曲线 F ig. 2T he in itia l design p ha se d istribu tion a t f = 125 H z and its no rm a l reg ression

21、 cu rve 表 1指定频率点的相位一致性成品率汇总表 . Tab 1 Summary of the y ield of the pha se con sistency a t spec if ic frequenc ies f Hz T he p recision of com ponen ts Key resistances Key cap acitances Y ield % 13. 81 95. 23 19. 29 125 1 000 V a riety range 5% V a riety range 5% 3 200 从表 1 可以看出, 初始设计的相位一致性成品 率在高、 低端

22、截止频率处不到 20% , 根本达不到批 量生产的要求。 说明初始设计关键元器件的容差范 围 5% , 远远不能满足相位一致性成品率的要求。 由于混合集成电路中电阻是厚膜工艺制造, 其精度 可以高于电容精度, 在容差优化设计时, 分别调整 电 阻 和 电 容 的 容 差 范 围, 将 电 阻 的 精 度 设 置 为 011% , 通过模拟, 发现 011% 的电阻精度对滤波电 路的相位一致性没有影响。 下面的分析是在将关键 电阻的精度设定为 011% 的情况下, 为了分析方 位一致性影响较大而对高端处几乎没有影响的 4 率汇总表。 提高到 92105% ; 但是第二组电容变化范围从 1% 便,

23、 对电路中的关键电容, 将其中对低端频率 处相 个电容划分为第一组电容, 对高端频率处相位一致 性影响较大而对低端处几乎没有影响的 4 个电容 划分为第二组电容。 对两组电容的精度分别进行调 整, 调整的范围为 1% 0. 5% , 进行蒙特卡诺分 析, 结果见表 2, 电容精度变化与相位一致性成品 由表 2 可见, 在低端截止频率 125 H z 处, 第一 组电容精度从 1% 变到 015% , 成品率从 88. 01% 法计算出的相位一致性成品率见表 1。 其中 f = 125 低端 H z 和 f = 3 200 H z 分别为该滤波电路的高、 截止频率。 2 期 焦慧芳等: 混合滤波

24、电路可制造性优化设计 275 . Tab 2 Summary of the y ield of the pha se con sistency versus the var iety of the prec ision of capac itance T he p recision of cap acitances 1% Y ield % 88. 01 92. 05 88. 01 94. 94 94. 94 96. 72 变到 015% , 成品率几乎没有变化。 而在高端截止 频率 3 200 H z 处, 情况正好相反。 由此可见, 第一 组电容对低端频率处的相位一致性成品率影响是 明显的,

25、 对高端几乎没有什么影响; 而第二组电容 则相反, 只对高端频率处的相位一致性成品率有明 显的影响。 表 2电容精度变化与相位一致性成品率汇总表 f Hz 的性能设计所不能覆盖的领域, 是与产品质量和可 靠性直接相关的技术。 采用该技术对提高产品的质 量和可靠性有决定性的作用, 应用实例也证明了该 技术是有效的、 实用的。 在设计和改进产品时, 推广 应用针对成品率的可制造性优化设计技术, 以提高 产品的质量和实现其可靠性增长有非常重要的意 义。 参 考 文 献 1 郝跃著 集成电路制造动力学理论与方法 M . 北 . T he first g roup 0. 5% 1% T he second g roup 1% 125 125 125 京教育出版社、 河北教育出版社等出版社联合出版, 1995 年 11 月 2 曾志华, 贾新章, 刘宁, 等. 带通滤波器的优化设计 0. 5% 1% 3200 3200 3200 1% 0. 5% 1% 和可制造性分析 J . 西安电子科技大学学报, 2003; 3 贾新章. O rCAD P sp ice9 实用教程 M . 西安: 西安电