guide de demarrage cadence_2

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE TOULOUSE

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Guide de dmarrage du logiciel Cadence

Alexandre [email protected]

Janvier 2009

Conception CMOS Analogique

Janvier 2009

Ce document a pour but daider la prise en main du logiciel Cadence v5.1, utilis sous Unix, pour de la saisie de schmatique et de la simulation de circuits CMOS. Le design kit AMS Hit Kit C35 est utilis dans les exemples. Vous pouvez aussi accder depuis lAIME toutes les documentations du logiciel Cadence et du design kit.

ContenuGuide de dmarrage du logiciel Cadence .............................................................................................. 1 I. Prsentation du logiciel Cadence.................................................................................................... 2 II. Prsentation du design kit............................................................................................................... 3 III. Crer son environnement de travail ........................................................................................... 4 IV. Crer une librairie ....................................................................................................................... 5 V. Crer une cellule de travail......................................................................................................... 6 VI. Crer une schmatique .............................................................................................................. 7 VII. Lancement de simulations et affichage des rsultats................................................................. 9 1. Simulation transitoire ................................................................................................................ 10 2. Simulation DC........................................................................................................................... 11 3. Simulation PSS......................................................................................................................... 14 a. Principe de la simulation PSS .............................................................................................. 14 b. Simulation PSS sous SPECTRE RF .................................................................................... 14 c. Analyse de produits dintermodulation par une simulation PSS ........................................... 18 4. Types de simulation proposes par SPECTRE/SPECTRE RF................................................ 19 5. Oprateurs mathmatiques ...................................................................................................... 20 VIII. Cration dun symbole.............................................................................................................. 22 IX. Simulation paramtrique........................................................................................................... 24 X. Analyse des corners ................................................................................................................. 25 XI. Liste des raccourcis clavier sous Virtuoso Schematic Editor ................................................... 27 XII. Support local lAIME .............................................................................................................. 27

I. Prsentation du logiciel CadenceL'outil cadence est une chane complte de conception qui propose un ensemble de logiciels rpondant la quasi totalit des besoins dans les domaines : de la conception de circuits intgrs, de la simulation de haut niveau, du dessin "full custom" d'un circuit. Cet environnement de travail contient environ 480 excutables, contenus dans une arborescence complexes. La figure 1 dcrit le flot typique de conception du schma lectrique dun circuit analogique dans lenvironnement Cadence.

A. Boyer

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Conception CMOS AnalogiqueConfiguration de lenvironnement de travail / chargement du design kit

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Cration dune librairie

CIW

Saisie de la schmatique

Virtuoso

Modification des paramtres Variation process, Tc, tension

Spectre

Simulation lectrique

Spectre

Validation des performances

Figure 1 Flot de conception du schma lectrique dun circuit analogique sous Cadence

Le dmarrage du logiciel doit inclure toute une phase de configuration de variables denvironnement pour quil se lance correctement. Un design kit (cf. II) est charg au dmarrage afin de relier le circuit simul un process technologique. Les circuits qui vont tre produits doivent tre organiss au sein de librairies, associes avec des design kits. Lenvironnement Cadence propose de nombreux outils partir dune interface commune, parmi lesquels on trouve des outils de saisie de schmatique (comme Virtuoso Schematic Editor) et de simulation lectrique (comme Spectre). Dans le cadre de cet APP, nous nous limiterons ces quelques outils et la production dune schmatique lectrique rpondant un cahier des charges. Ce flot ne reprsente que la premire partie du flot de conception complet dun circuit, qui inclut la phase de layout, de vrification et de simulation post-layout.

II. Prsentation du design kitLutilisation dun design kit est ncessaire lors des phases de conception dun circuit intgr, qui doit se faire en accord avec une technologie de fabrication existante. Un design kit runit lensemble des informations relies un process technologique, permettant de simuler un circuit et de le router. Il contient ainsi lensemble des modles lectriques des composants lmentaires pouvant tre fabriqus laide du process technologique (par exemple, des transistors MOS et bipolaires, des rsistances, des inductances et des capacits intgres, des entres-sorties I/O). Dans le cadre de cet APP, nous allons utiliser un design kit fourni par la socit Austria Mikro Systems (AMS), fondeurs de circuits en technologies CMOS et BiCMOS. Le design kit employ sappelle AMS C35 HIT Kit v3.7. Il inclut des librairies compltes de design relies au process technologique CMOS AMS 0.35 m, ainsi quun ensemble de scripts permettant de configurer automatiquement lenvironnement Cadence. Parmi les librairies proposes, nous allons utiliser dans le cadre de cet APP les librairies lies au process CMOS AMS 0.35 m 4 niveaux de mtaux C35B4. Ce design kit contient les librairies suivantes : Nom des librairies CORELIB CORELIB_3B IOLIBC_3B_3M IOLIBC_3B_4M A. Boyer Contenu des librairies Digital Standard Cells 3-Bus Digital Standard Cells 3-Bus Digital I/O Bidirectional Buffers and Power Pads 3-Bus Digital I/O Bidirectional Buffers and Power Pads 3

Conception CMOS Analogique IOLIBC_ANA_3B_3M IOLIBC_ANA_3B_4M IOLIBC_3M IOLIBC_4M IOLIBV5_3M IOLIBV5_4M A_CELLS PRIMLIB PRIMLIBRF PACKAGES SPIRALS_3M SPIRALS_4M

Janvier 2009 3-Bus Analog Power Supply and Analog I/O Pads 3-Bus Analog Power Supply and Analog I/O Pads Digital I/O Bidirectional Buffers and Power Pads Digital I/O Bidirectional Buffers and Power Pads Digital I/O Bidirectional Buffers and Power Pads, 5 V supply Digital I/O Bidirectional Buffers and Power Pads, 5 V supply Analog Standard Cells (Symbols and Layout Frames) Primitive devices (NMOS, PMOS, resistors, capacitors) RF Primitive devices (NMOS, PMOS, resistors, capacitors, inductors) Package models (wire inductance and resistances) Inductors Inductors

On ajoutera aussi la librairie analogLib qui nest pas incluse dans ce design kit, mais qui inclut lensemble des sources, des symboles de tension et dalimentation, dlments passifs et actifs non relis des diodes. Dans ce design kit, les modles des transistors CMOS sont inclus dans le fichier cmos53.scs, et sont fournis dans diffrentes conditions de process (condition typiques et diffrentes conditions de pire cas). Les modles de ce fichier utiliss dans le cadre de ce TP seront : modn : modle NMOS de base modp : modle PMOS de base modnrf : modle NMOS RF modprf : modle PMOS RF nd : modle diode NMOS pd : modle diode PMOS Dans les librairies PRIMLIB, PRIMLIBRFet SPIRALS_4M, vous trouverez des modles dlments passifs intgrs (rsistances, capacits, inductances). Dans la librairie IOLIBC_ANA_3B_4M, vous trouverez des modles pads dentres sorties. Vous trouverez toutes les informations sur les modles proposs par le design kit AMS C35 HIT Kit v3.7 sur le site de lAIME (accs local uniquement).

III.

Crer son environnement de travail

Avant le lancement du logiciel Cadence servant la saisie de la schmatique, il convient de charger le design kit, lintrieur dun rpertoire personnel (le chargement du design kit va consister crire plusieurs fichiers dans son propre rpertoire). Vous pouvez crer un nouveau rpertoire partir de la console laide de la commande : mkdir mon_repertoire. Placez vous ensuite sous ce nouveau rpertoire en tapant cd mon_repertoire. De l, on va pouvoir lancer le logiciel CADENCE. Dans un premier temps, on lance lenvironnement de travail en tapant la commande ams370. Cette commande lance lenvironnement pour la version 5.1 de Cadence, avec le design kit version 3.70 de chez AMS. Un grand nombre de variables denvironnement vont tre configures. Dans un deuxime temps, il faut spcifier au logiciel Cadence la technologie utilise. Celle-ci est spcifie dans le design kit AMS C35 HIT-Kit. Pour cela, tapez la commande ams_cds tech c35b4 &. Cette commande excute un script qui va charger la technologie CMOS 0.35 m 4 niveaux de mtaux. Lenvironnement se lance, la fentre principale de loutil appele Command Interpreter Window (CIW), partir de laquelle les outils peuvent tre lances et sur laquelle les diffrents messages apparatront (fig. 2). Le kit AMS tant install dans votre rpertoire, il sera possible de lancer Cadence lors des autres utilisations en tapant directement la commande icfb &. (icfb = Integrated Circuit Frontend to Back-end).

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Figure 2 Fentre principale CIW

IV.

Crer une librairie

Nous allons maintenant crer la librairie dans laquelle vous allez stocker lensemble de vos schmas lectriques. A partir de la fentre CIW, cliquez sur File/New/Library. La fentre prsente sur la figure 3 souvre. Entrez le nom de votre librairie puis associez un fichier de technologie (tech file). Vous pouvez lui attacher le tech file c35b4.

Figure 3 Crer une nouvelle librairie

Votre nouvelle librairie apparat dsormais dans le Library Manager. Cette fentre est fondamentale car elle vous permettra de naviguer dans les diffrentes librairies de composants. Vous pouvez y accder en cliquant sur Tools/Library Manager La fentre ci-dessous souvre. Elle est constitu de 3 (voire 4) catgories : Library : contient lensemble des librairies ou bibliothque de composants Category : elle peut tre cach en dcochant Show Categories. Elle indique les diffrentes catgories de composants dans une librairie (Source, actif, passif, ) Cell : contient la liste des composants dune librairie View : contient les diffrentes vues dun composant (schmatique, symbole, layout, netlist VHDL)

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Figure 4 Library manager

Si toutes les librairies dsires napparaissent pas, il est possible de les ajouter en cliquant sur Tools/Library Path Editor partir de la fentre CIW. Il vous suffira dajouter les noms des librairies et leurs chemins daccs.

V. Crer une cellule de travailOn peut maintenant crer la cellule de travail. Celle-ci va inclure une vue schmatique du circuit damplification que nous cherchons modliser. Cliquez sur File/New/Cellview. La fentre cidessous souvre. Spcifiez le nom de votre librairie, donnez le nom la cellule de travail et de la vue que vous allez crer. Comme nous allons crer une schmatique, vous pouvez donner comme nom la vue : Schematic. On va utiliser loutil Composer-Schematic.

Figure 5 Cration dune nouvelle cellule

Cliquez sur OK, et la fentre Virtuoso Schematic Editing souvre. Elle est vide, nous allons pouvoir dmarrer la saisie de la schmatique. Vous pouvez aussi ouvrir une cellule et sa vue depuis Library Manager en slectionnant la vue, puis en faisant un clic droit et en slectionnant Open.

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VI.

Crer une schmatique

On commence par ajouter un transistor MOS de type N. Pour ajouter un composant, cliquez sur Add/Instance ou sur licne La fentre prsente la figure 6 souvre. Il faut aller chercher le composant dans les librairies proposes. Nous allons utiliser les composants inclus dans la librairie PRIMLIB. On slectionne dans la colonne Cell le composant nmos4 (pmos4 pour un transistor PMOS) et la vue Spectre.

Figure 6 Ajout dun composant sur une schmatique

Le composant apparat en jaune tant quil nest pas plac sur la schmatique. Cliquez sur le bouton de gauche de la souris pour le placer, tapez sur la touche Esc pour arrter le placement de ce composant. On peut modifier les proprits de ce composant avant de le placer, ou bien en cliquant sur licne puis en cliquant sur le composant. Entrez les paramtres suivants (si ils Properties napparaissent pas par dfaut) : Model Name : modn Width : 150u Length : 0.35u Number of Gates : 1 Ces paramtres dfinissent respectivement le modle du transistor et les dimensions gomtriques de sa grille. Les proprits apparaissent en jaune ct du symbole. On place ensuite une rsistance que lon connecte au drain du transistor. On clique nouveau sur Add Instance et on va chercher la cellule res dans la librairie AnalogLib. On slectionne la vue Spectre. Il sagit dun modle idal dune rsistance. On lappelle R1 (champ Instance Name) lui donne une valeur de 1 K. On ajoute ensuite un gnrateur de signal sinusodal sur la grille du transistor. On slectionne la cellule Vsin dans la librairie AnalogLib. On lui donne les paramtres suivants : Name : Vin AC magnitude : 1 V A. Boyer 7

Conception CMOS Analogique AC phase : 0 DC voltage : 0 V Offset voltage : 1.5 V Frequency : 100 MEG

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On place ensuite une source dalimentation DC. Celle-ci polarise le transistor au travers de la rsistance R1. On slectionne la cellule Vdc dans la librairie analogLib et on lui donne les paramtres suivants : Name : Vdd AC magnitude : 0 V AC phase : 0 DC voltage : 5 V

Figure 7 Placement des diffrents composants de la schmatique

.Placez les fils On peut enfin relier les composants. Pour cela, cliquez sur licne Wire (narrow) en cliquant sur les bornes que la connexion doit atteindre. Il reste placer la rfrence de masse, ncessaire toute simulation SPICE. On utilise le symbole global de masse inclus dans la librairie analogLib, sous le symbole gnd. Ce symbole global sera reconnu comme la masse pour tous les symboles et dans nimporte quelle vue. On peut aussi ajouter des noms aux diffrents nuds, ce qui permettra de les reprer plus facilement. Pour lalimentation, on peut aussi un symbole global. On peut prendre le symbole global Vdd dans la librairie analogLib. On ajoute aussi des noms aux fils dentres et de sortie. Pour cela, on clique sur licne Wire Name . On donne les noms In et Out pour lentre et la sortie.

. Toute erreur ou Une fois votre schmatique termine, cliquez sur licne Check and Save warning sur la schmatique sera alors dtecte. Le symbole fautif clignotera et le descriptif des erreurs apparatra dans la fentre CIW. La figure 8 prsente le rsultat final.

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Figure 8 Schmatique finale

VII. Lancement de simulations et affichage des rsultatsNous allons maintenant simuler le circuit ralis laide du simulateur SPECTRE de Cadence. Depuis Virtuoso Schematic Editor, cliquez sur Tools/Analog Environment. La fentre de contrle de la simulation Virtuoso Analog Design Environment prsente ci-dessous souvre. Loutil de simulation slectionn est Spectre (voir en haut droite de la fentre).

Figure 9 Virtuoso Analog Design Environment Lancement du simulateur SPECTRE

En cliquant sur Setup/Model Libraries, vous pouvez voir afficher les chemins daccs des librairies utilises (fig. 10). La librairie contenant les modles des transistors CMOS sappelle cmosd53.scs. Devant chaque librairie est indique la section utilise, cmostm pour la librairie CMOS par dfaut. Dans chacune de ces librairies, on trouve plusieurs sections, qui correspondent diffrentes A. Boyer 9


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conditions de process technologique (cf. X. analyses des corners). TM indique que le modle correspond des conditions typiques (typical mean).

Figure 10 Librairies utilises en simulation

1. Simulation transitoireNous allons dmarrer par une simulation transitoire. Pour ajouter un nouveau profil de simulation, cliquez sur Analyses/Choose. La fentre ci-dessous souvre, vous permettant de configurant un nouveau profil de simulation. Dans le champ Analysis, slectionnez tran, puis configurer le paramtre Stop Time 100ns indiquant le temps de simulation max. Cochez la case Enabled pour rendre le nouveau profil de simulation actif. Cliquez sur OK pour valider. Le nouveau profil de simulation apparat dans la fentre Virtuoso Analog Design Environment. En cliquant sur le profil, vous pouvez modifier les paramtres de la simulation. SPECTRE offre plusieurs types de simulation : Tran : transitoire Dc : analyse DC Ac : analyse AC Noise : analyse de bruit Sp : analyse Nport (paramtres S) On slectionne une simulation transitoire, on configure pour linstant uniquement le temps de simulation. Pour rgler dautres paramtres, vous pouvez cliquer sur le bouton Options. Validez en cliquant sur OK.

Figure 11 Paramtrage dune simulation transitoire

Cliquez ensuite sur Simulation/Netlist and Run pour construire la netlist du circuit (fichier dcrivant le circuit, sa topologie et les diffrents paramtres) et lancer la simulation. Une nouvelle fentre Output Log souvre indiquant ltat et lavancement de la simulation. La russite de la simulation sera A. Boyer 10


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aussi indique sur la fentre CIW. Vous pouvez accder la netlist gnre en cliquant sur Simulation/Netlist/Display. Pour afficher les rsultats sous forme graphique, cliquez sur Results/Direct Plot/Transient Signal. La fentre Direct Plot Form souvre. Vous pouvez slectionner directement sur la schmatique les nuds dont vous voulez voir les potentiels. Cliquez sur les fils connects sur la grille et sur le drain du transistor (entre et sortie de lamplificateur), puis appuyez sur la touche Esc. La fentre de rsultat souvre, comme le montre la figure 12. Les noms des nuds associs aux courbes saffichent

Figure 12 Rsultat dune simulation transitoire

En cliquant sur Tools/Calculator, lutilitaire Calculator se lance, permettant deffectuer de nombreuses oprations mathmatiques sur les signaux simuls. La partie VII.4 donne plus de dtails sur cet outil.

2. Simulation DCOn ralise ensuite une simulation DC, grce laquelle nous allons balayer la tension DC du gnrateur dentre. On commence par ajouter une nouvelle simulation en cliquant sur Analysis/Choose. Slectionnez DC comme type danalyse. On peut balayer un grand nombre de paramtres du modle comme la temprature, une variable, un paramtre dun composant ou du modle. Comme on veut balayer la tension DC du gnrateur dentre, cochez la case Component Parameter. On va le slectionner directement sur la schmatique en cliquant sur le bouton Select Component. Sur la schmatique, cliquez sur le gnrateur de tension plac sur la grille du transistor. Une fentre souvre avec la liste des paramtres associs ce composant. Slectionnez le paramtre dc puis cliquez sur OK pour fermer cette fentre. Enfin, dfinissez le type de balayage : Start Stop : de 0 5 V Sweep Type : Linear, Step Size = 0.1 Cliquez sur OK pour valider lanalyse DC. Dans la fentre Virtuoso Analog Design Environment, dans la colonne Analyses, 2 analyses apparaissent et sont actives (champ Enable). Pour les modifier, cliquez sur une des analyses. Pour les dsactiver, dcochez la bote Enabled.

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Figure 13 Paramtrage dune simulation DC

Lancez la simulation. Ds que celle-ci est termine, affichez les rsultats en cliquant sur Results/Direct Plot/ Main Form. La fentre ci-dessous souvre.

Figure 14 Affichage de rsultats de simulation

Cette fentre vous permet de choisir les rsultats parmi les diffrentes analyses lances. Dans notre cas, cochez lanalyse DC. Vous pouvez slectionner la grandeur visualiser, par exemple Voltage. Enfin, on peut spcifier la faon de visualiser les grandeurs (nud unique (net) ou diffrence entre 2 nuds (Differential Nets)). Slectionnez les nuds visualiser directement sur la schmatique : les nuds dentre et de sortie de lamplificateur. A chaque fois que vous cliquez sur un nud de la schmatique, une nouvelle courbe apparat dans la fentre daffichage. La fentre 15 prsente le rsultat graphique final de lanalyse DC. En cliquant sur les courbes, il est possible de modifier les proprits de chaque courbe.

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Figure 15 Rsultat dune simulation DC

On dcide dajouter dans la fentre un deuxime type de courbe, par exemple le courant fourni par lalimentation de lamplificateur. On va lafficher dans une deuxime graphe apparaissant sur la mme fentre graphique. Cliquez sur Trace/New Graph/Copy New SubWindow ou sur licne New Subwindow. Dans la fentre Direct Plot Form, slectionnez comme grandeur afficher Current et New SubWin dans loption Plotting Mode. Il ne faut plus slectionner de nuds pour afficher un courant, mais un des terminaux du gnrateur dont il est issu. Sur la schmatique, cliquez sur le terminal de lalimentation de lamplificateur par lequel sort le courant. La figure ci-dessous prsente le rsultat de laffichage graphique.

Figure 16 Rsultat dune simulation DC

Remarque : vous pouvez sauver les paramtres de vos diffrentes analyses. Pour cela, cliquez sur Session/Save State. Donnez un nom ltat de vos analyses. Vous pourrez les recharger une prochaine ouverture de Virtuoso Analog Design Environment en cliquant sur Session/Load State.

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3. Simulation PSSa. Principe de la simulation PSSLe simulateur SPECTRE offre en plus des simulations SPICE classiques des simulations adaptes lanalyse des circuits RF (analyses offertes par le simulateur SPECTRE RF). Les fonctions classiques de SPICE ne sont pas toujours adaptes des analyses de circuits non linaires haute frquence. En effet, les analyses petits signaux type analyse AC sont bases sur la linarisation de circuits non linaires. Bien que les simulations transitoires permettent de prendre en compte ces non linarits, les mthodes de rsolution numrique dquation non linaires utilises sont trs gourmandes en temps de calcul. En outre, de nombreuses grandeurs RF sont souvent exprimes dans le domaine frquentiel (contenu spectral) ou sappliquent sur certaines harmoniques (distorsion, point de compression). Une transforme de Fourier discrte doit alors tre applique sur les rponses temporelles obtenues en simulation transitoire, ce qui ajoute un temps de calcul supplmentaire non ngligeable. SPECTRE RF offre plusieurs mthodes de simulation larges signaux bases sur le calcul de la rponse ltat stationnaire de circuits, lorsque ceux-ci sont soumis des excitations priodiques. Ces mthodes permettent de calculer efficacement les rponses de circuits non linaires, dans le domaine temporel et frquentiel. Cependant, les excitations en entre des circuits simuls ne doivent pas tre trop grandes afin dviter que les circuits prsentent des comportements trop non linaires, ce qui empcheraient de dterminer des solutions. Ces mthodes sappliquent bien aux circuits RF, car ils sont gnralement soumis des excitations priodiques et leur fonctionnement sapproche de circuits linaires (oscillateurs, LNA, PA). Les mthodes proposes par SPECTRE RF sont en outre adaptes aux circuits RF ralisant des conversions de frquences (mixeurs). Parmi elles, on trouve lanalyse Periodic Steady State (PSS), analyse larges signaux qui calcule directement la rponse priodique ltat stationnaire dun circuit lorsquil est soumis une excitation priodique. Cette rponse est calcule une frquence fondamentale particulire ainsi quaux harmoniques dordre N, ou bien sur une priode de cette excitation fondamentale (plus de dtails sur la documentation de CADENCE en ligne lAIME).

b. Simulation PSS sous SPECTRE RFReprenez le schma ampli et placez une source en entre de type Port. Ces sources sont trs utiles pour des analyses RF, car : elles permettent de raliser des simulations de paramtres S lamplitude du signal dlivre peut sexprimer en puissance on peut dfinir une excitation multi ton (plusieurs frquences fondamentales), adaptes dans lanalyse des effets des produits dintermodulation Cette source se trouve dans la librairie analogLib, dans la catgorie Sources/Ports. Modifiez les proprits du port et donnez lui les proprits suivantes :

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Conception CMOS Analogique Resistance = 100 Ohms Port Number = 1 DC Voltage = 1.5 V Source Type = sine Frequency name 1 = frf (ou nimporte quel nom), qui permettra de balayer la frquence de lexcitation dentre Frequency 1 = 100M (Hz) Amplitude 1 (dBm) = -10 La figure 17 prsente le modle obtenu.

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Figure 17 Modle de lamplificateur pour une simulation PSS

Sauvez et vrifiez la schmatique, puis lancez le simulateur. On va lancer 2 types de simulation dont on va comparer les rsultats : une simulation transitoire et une simulation PSS. Configurez la simulation transitoire pour avoir un temps de simulation de 100 ns. On ajoute une deuxime simulation de type pss. Crez une nouvelle simulation (Analysis/Choose). Dans la liste des simulations, cochez la case pss. La fentre suivante prsente la fentre de paramtrage de la simulation PSS.

Figure 18 Paramtrage dune simulation PSS

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Conception CMOS Analogique Par dfaut, le logiciel a dtect comme source dexcitation le port 1 et a reprer la frquence dexcitation frf. Il faut rgler 2 paramtres : Beat Frequency, qui correspond la frquence de lexcitation en entre. On peut rentrer la frquence de lexcitation, mais on peut laisser loutil la dterminer automatiquement. Pour cela, cochez la case Auto Calculate. Output harmonics - Number of harmonics : on peut lui rentrer un nombre raisonnable dharmonique, par exemple 10. Loutil analysera les 10 premiers harmoniques de la frquence fondamentale frf = 100 MHz. Au niveau de la prcision (Accuracy Defauts), si la simulation ne converge pas, vous pouvez relcher les contraintes et cochez la case moderate au lieu de conservative. La fentre prsente figure 19 montre ltat de la fentre aprs paramtrage de la simulation PSS.

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Figure 19 Paramtrage dune simulation PSS

Vous pouvez lancer la simulation (Simulation/Netlist and Run). A la fin de la simulation, affichez les rsultats de la simulation transitoire, avec les tensions sur les nuds dentre et de sortie (Results/Direct Plot/Transient Signal). On affiche ensuite les rsultats de la simulation pss. Pour cela, cliquez sur Results/Direct Plot/Main Form. La fentre ci-dessous souvre.

Figure 20 Affichage des rsultats dune simulation PSS

Modifiez la liste Plotting Mode pour mettre le mode NewSubWin. On commence par afficher les tensions sur les nuds dentre et de sortie. Slectionnez la fonction Voltage et dans la liste Select choisissez loption Net, pour rcuprer les tensions directement en cliquant sur les nuds de la schmatique. Pour loption Sweep, cliquez sur la case time. Sur la schmatique, cliquez sur les A. Boyer 16


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nuds dentre et de sortie. Les 2 courbes apparaissent dans un nouveau graphique. La fentre cidessous prsente le rsultat des simulations transitoires et PSS.

Figure 21 Comparaison des rsultats des simulations transitoire et PSS

Les rsultats des 2 simulations sont trs similaires. On peut remarquer que la simulation PSS nest effectue que sur une priode du signal dexcitation (10 ns) et ltat stationnaire. La simulation PSS permet aussi de visualiser les rsultats dans le domaine frquentiel. Seules amplitudes et les phases des N harmoniques calcules par la simulation PSS peuvent tre affiches. On dcide dafficher en fonction de la frquence le gain en tension de lamplificateur. Dans la fentre Direct Plot Form, cliquez sur la case Voltage Gain pour calculer la fonction gain en tension. Loption Select passe automatiquement Output and Input Nets, vous indiquant quil faut slectionner le nud de sortie, puis le nud dentre. Pour loption Modifier, slectionnez dB20 pour afficher le rsultat en dB. On va afficher le rsultat dans une nouvelle fentre, mettez loption Plotting Mode New Win. Sur la schmatique, cliquez dabord sur le nud de sortie, puis cliquez sur le nud dentre. La fentre ci-dessous souvre, prsentant le rsultat du gain en tension en fonction de la frquence. Les amplitudes des 10 premires harmoniques de la frquence fondamentale frf du gain en tension apparaissent

Figure 22 Spectre du gain en tension de lamplificateur obtenu par une simulation PSS

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c. Analyse de produits dintermodulation par une simulation PSSLa simulation PSS a de trs nombreuses utilits, comme lanalyse de distorsions du signal par produits dintermodulation, qui sont trs frquents et problmatiques dans les circuits RF. Pour cela, revenez la schmatique de lamplificateur et diter les proprits du port dentre. Cochez la case Display second sinusoid pour que la source dentre gnre une deuxime sinusodale qui va sadditionner la premire. Donnez les paramtres suivants ce deuxime signal : Frequency name 2 : frf2 Frequency 2 : 110 MHz Amplitude 2 (dBm) : -10 dBm puis cliquez sur OK. Comme on superpose en entre du circuit un signal harmonique 100 MHz avec un second signal harmonique 110 MHz, des produits dintermodulation seront gnrs en sortie du circuit tous les multiples de 10 MHz, suivant son caractre non linaire. Cliquez sur Check and Save et retournez la fentre de simulation. Modifiez votre analyse PSS : Beat Frequency : cochez la case Auto Calculate. Normalement, 10 M apparat. Number of Frequency : 25, pour aller jusqu 250 MHz Accuracy : Conservative Lancer la simulation puis ouvrez la fentre Direct Plot Form. On va afficher la puissance (Power) sur le nud de sortie. Dans le champ Select, choisissez Net (Specify R), et entrez comme valeur de rsistance celle de la charge (100 ohms). Dans le champ Modifier, cochez la case dBm pour afficher les rsultats en dBm. Enfin, slectionnez sur la schmatique le nud de sortie, la fentre ci-dessous saffiche. Le spectre du signal de sortie saffiche. On retrouve les 2 harmoniques fondamentales du signal en entre, 100 et 110 MHz, ainsi que lensemble des raies dues des produits dintermodulation entre 10 et 250 MHz.

Figure 23 Simulation de produits dintermodulation apparaissant en sortie lamplificateur, obtenue par une simulation PSS

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4. Types de simulation proposes par SPECTRE/SPECTRE RFCadence offre un trs grand nombre de simulation, comme le montre la fentre Choose Analysis de la figure 11. Le tableau ci-dessous liste les principaux types de simulation que vous serez amens mettre en uvre durant cet APP. Les 4 premires sont des analyses basiques proposes par tous les simulateurs SPICE, les autres sont adaptes des analyses de circuits RF. Vous trouverez plus de dtails sur les principes de ces simulations et sur leur configuration dans la documentation en ligne de Cadence accessible depuis lAIME. Outils Type de simulation tran dc Description transitoire balayage dune variable (tension DC, temprature, paramtre dun composant analyse frquentielle (petits signaux) Paramtres Stop Time : dure de la simulation Start, Stop : dbut et fin du balayage Sweep Type : type de balayage Step size/Number of steps : rglage du pas du balayage Sweep Variable : frequency Start, Stop : dbut et fin du balayage en frquence Sweep Type : type de balayage Step size/Number of steps : rglage du pas du balayage Sweep Variable : frequency Start, Stop : dbut et fin du balayage en frquence Sweep Type : type de balayage Step size/Number of steps : rglage du pas du balayage Sweep Variable : frequency Start, Stop : dbut et fin du balayage en frquence Sweep Type : type de balayage Step size/Number of steps : rglage du pas du balayage Output : voltage ou probe Ports : slection des ports sur la schmatique Start, Stop : dbut et fin du balayage frquentiel Sweep Type : type de balayage Step size/Number of steps : rglage du pas du balayage Beat period/frequency : priode ou frquence de lexcitation Number of harmonics : nombre dharmoniques du signal de sortie errpreset : fixe les paramtres de prcision de la simulation (conservative, moderate, liberal) Liste Fondamental Tones : dtermine automatiquement

ac

noise SPECTRE xf

analyse de signaux)

bruit

(analyse

petits

Calcul de fonction de transfert ou de gain (petits signaux)

sp

analyse paramtres S Permet aussi de faire une analyse de bruit (petits signaux)

pss

SPECTRE RF

analyse Periodic Steady State. Analyse larges signaux dun circuit excit par un signal priodique compos dune seule frquence fondamentale puis calcul de la rponse ltat stationnaire. analyse Quasi Periodic Steady State, similaire PSS, mais avec une

qpss

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Conception CMOS Analogique excitation compose de frquences fondamentales. plusieurs

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pac, pnoise, pxf, psp qpac, qpnoise, qpxf, qpsp

par le simulateur qui rcupre lensemble des frquences fondamentales sur le circuit. Rgler lampleur du signal (Moderate ou Large). 1 seule fondamentale doit tre de type Large Rgler le nombre dharmonique de la frquence fondamentale Similaires aux simulations ac, noise, xf et sp. Se font aprs une simulation PSS Similaires aux simulations ac, noise, xf et sp. Se font aprs une simulation QPSS

5. Oprateurs mathmatiquesLa fentre Direct Plot Form prsente la figure 14 ne permet daccder qu quelques grandeurs physiques (tension, courant, puissance, transconductance, paramtres S, ), ce qui peut tre limit dans certains cas, comme lors de simulations de circuits RF, qui ncessitent lutilisation de grandeurs particulires (gain, point de compression 1 dB, transforme de Fourier, ). A partir de la fentre daffichage graphique, il est possible daccder un utilitaire fournissant un grand nombre doprateurs mathmatiques permettant de driver des tensions, des courants ou des puissances simuls dautres grandeurs. Reprenez lexemple prcdent de simulation dc. Nous allons afficher le courant en dBV. Relancer la simulation et afficher la rponse DC du nud de sortie. Depuis la fentre daffichage graphique, cliquez sur Tools/Calculator. La fentre 24 souvre. Une calculatrice et un ensemble de fonctions mathmatiques apparaissent, on peut y accder par simple clic. On observe aussi une ligne dans laquelle il est possible de taper la fonction mathmatique.

Figure 24 Outil Calculator

On va utiliser la fonction dB20 pour afficher la tension sur le nud de sortie en dBV. Appuyez sur le bouton Clear pour vous assurer que la ligne de commande est vierge. On va dabord slectionner la courbe ou le nud partir duquel on va rcuprer une tension ou un courant puis appliquer la fonction dB20. Plusieurs mthodes sont possibles. La premire consiste utiliser une courbe que vous avez trac dans la fentre daffichage des rsultats. Pour cela, cochez la case wave et slectionnez une courbe en cliquant dessus directement sur laffichage graphique. La deuxime A. Boyer 20


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mthode consiste rcuprer la tension dun nud (case vdc) ou le courant dlivr par un gnrateur (case idc). Pour y accder, activer le volet dc en haut droite de la fentre Calculator, puis cliquez sur vdc. Vous pouvez ensuite cliquez sur le nud de sortie directement sur la fentre de schmatique. La tension du nud ou de la courbe slectionn apparat dans la ligne de commande. Ensuite, on applique la fonction sur le signal rcuprer. Cliquez sur dB20, puis slectionnez New SubWin dans la liste situe sous la ligne de commande afin dafficher le rsultat sur un nouveau graphe. Enfin, cliquez sur le bouton eval pour afficher le rsultat. La fentre prsente ci-dessous saffiche, avec droite le rsultat en dBV.

Figure 25 Rsultat dune simulation DC calcul en dBV

Il existe dautres fonctions, nous ne dtaillerons que les fonctions qui vous sont susceptibles de vous tre utiles lors de cet APP. Reportez vous aux documentations en ligne sur Cadence disponibles sur le site de lAIME pour plus dinformations. Le tableau ci-dessous donne les fonctions simples permettant danalyser lamplitude dun signal. Oprateur Fonction mag Amplitude ou module phase Phase real Partie relle imag Partie imaginaire ln Logarithme nperien log10 Logarithme en base 10 dB10 dB pour des grandeurs en puissance dB20 dB pour des grandeurs en tension/courant Le tableau ci-dessous liste un ensemble de fonctions spciales qui vous seront utiles. Oprateur Fonction average Valeur moyenne dun signal bandwidth Calcul de la bande passante dun signal compression valeur du point de compression 1 dB dBm Retourne la valeur en dBm dune puissance dft Ralise la transforme de Fourier discrte dun signal temporel frequency Evalue la frquence dun signal A. Boyer 21

Conception CMOS Analogique priodique Trac du point dinterception dordre N Renvoie la valeur RMS dun signal

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ipn rms

Remarque : certaines fonctions avances induisent des erreurs si certaines variables denvironnement ne sont pas modifies. Si vous utilisez certaines de ces fonctions et que des paramtres ne sont pas reconnus, tapez dans la fentre CIW la commande suivante :envSetVal("calculator" "oldexpr" 'boolean nil)

Reportez vous laide en ligne lAIME sur Cadence pour en savoir plus sur les fonctions mathmatiques.

VIII. Cration dun symboleJusque l, nous avons construit le schma lectrique dun circuit et directement appliqu des stimuli lectriques afin de simuler son fonctionnement. Cependant, en pratique, il est plus intressant de crer un symbole pour chaque circuit, puis de crer une vue spare ddie la simulation de ce circuit. Cette dmarche vous permettra de crer un design hirarchique, compos de plusieurs sous circuits de bas niveau et reprsents par des symboles. De cette manire, votre design sera plus portable et totalement indpendant de tous les setup de simulation utiliss pour valider les diffrents blocs du circuit. On va rcuprer la schmatique prcdente. Depuis la fentre de saisie de schmatique Virtuoso Schematic Editing de la vue ampli, cliquez sur Design/Save as et sauvez le sous ampli_symbol. Vous pouvez fermer la fentre contenant la vue ampli et ouvrir la nouvelle vue depuis Library Manager. Sur la nouvelle schmatique, vous pouvez supprimer les gnrateurs de tension ncessaires la simulation. Afin de crer un symbole, il est ncessaire dindiquer les broches entres sorties (I/O pins) de la cellule, ainsi que les broches dalimentation. Cliquez sur Add/Pin ou sur licne pour ajouter des I/O. Un fentre souvre dans laquelle vous devez indiquez le nom de lI/O et sa direction (ce paramtre na pas de signification lectrique, il ninflue que sur lapparence de la pin). Crez lentre In et la sortie Out sur la schmatique. Si ce nest pas dj fait, ajoutez les symboles globaux Vdd et Gnd pour indiquez les pins dalimentation et de masse (symboles globaux). Ceux-ci sont inclus dans la librairie analogLib. La figure 26 prsente le rsultat obtenu qui va nous servir gnrer le symbole.

Figure 26 Schma servant crer le symbole pour ce circuit

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Pour crer le symbole, cliquez sur Design/Create cellview/From cellview La fentre ci-dessous souvre. Indiquez le nom de votre librairie, de la cellule et de la vue concerne (ampli_symbol) puis validez.

Figure 27 Cration dun nouveau symbole partir dune schmatique

La fentre Symbol Generation Options souvre pour ajuster la position des pins sur le symbole et modifier la forme du symbole. Cliquez sur OK, le symbole est gnr automatiquement et apparat comme une bote rectangulaire entoure des I/O spcifies prcdemment (fig. 28). Les broches dalimentation et de masse napparaissent pas sur le symbole, car il sagit de symboles globaux. Si le symbole est satisfaisant, sauvez le puis fermez la fentre de saisie de la schmatique (Window/close).

Figure 28 Symbole quivalent du circuit ampli

On va maintenant pouvoir rutiliser ce symbole et le simuler. Pour cela, crez une nouvelle schmatique appele ampli_simu puis ouvrez lditeur de schmatique Virtuoso. Ajoutez les symboles Vdd et Gnd, un gnrateur de tension continu Vdc et un gnrateur de tension sinusodal (librairie analogLib), puis le symbole ampli_symbol, inclus dans votre librairie (ma_lib). Connectez les diffrents lments comme dans la figure ci-dessous. Vous pouvez ajouter une pin en sortie et y connecter un fil avec la sortie du symbole ampli_symbol, afin de pouvoir slectionner la sortie en simulation (fig. 29).

Figure 29 Schmatique de simulation du symbole quivalent du circuit ampli

Sauvez la schmatique et vrifiez quil ny ait pas derreurs. Vous pouvez lancer lenvironnement de simulation en cliquant sur Tools/Analog Environment et refaire les simulations faites dans le chapitre prcdent.

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IX.

Simulation paramtrique

Une simulation paramtrique permet de modifier un paramtre du modle (par exemple, une rsistance ou la longueur dune grille), de balayer les valeurs prises par un des paramtres du modle et de simuler son influence sur les performances du circuit. Revenez la schmatique ampli. On va modifier la largeur du canal du transistor MOS. Il faut dabord crer une variable qui caractrise la largeur du transistor. Pour cela, affichez les proprits du transistor . Rentrez la valeur Wn dans les champs Width et Width Strip. Wn est une nouvelle variable qui va nous permettre de balayer les valeurs de la largeur de la grille. On va dfinir sa valeur partir de la fentre de simulation Virttuoso Analog Design Environment. Lancez la puis cliquez sur Variables/Edit , spcifiez le nom de la variable dans le champ Name ainsi que sa valeur dans le champ Value, puis validez. La variable apparat dans le champ Design Variables. La simulation analogique peut tre lance en prenant la valeur qui vient dtre spcifie pour Wn. Cependant, de cette manire, on ne peut spcifier quune valeur unique par simulation pour cette variable, et on ne peut donc pas raliser une simulation paramtrique. Dans la fentre Virtuoso Analog Design Environment, assurez vous que la simulation est correctement paramtre puis cliquez sur Tools/Parametric Analysis La fentre prsente figure 30 souvre.

Figure 30 Configuration dune analyse paramtrique

On dfinit le nom de la variable, les bornes et le pas du balayage de ce paramtre. Enfin, cliquez sur Analysis/Start, ce qui lance la simulation paramtrique. Une nouvelle fentre souvre pour vous indiquer ltat davancement de la simulation. Une fois la simulation termine, vous pouvez slectionner les nuds visualiser (Results/Direct Plot/Transient Signal). Le rsultat de simulation saffiche avec plusieurs courbes associes aux diffrentes valeurs du paramtre Wn, comme le montre la figure 31.

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Figure 31 Rsultat dune simulation paramtrique

X. Analyse des cornersJusquici, nous avons ralis des simulations en employant les modles typiques des composants des librairies du design kit AMS C35. Les modles typiques correspondent au cas o les paramtres du process de fabrication du circuit prennent les valeurs prvues. En pratique, ce nest jamais le cas, car il existe toujours des variations de process, qui risque de modifier les performances dun circuit. Il est donc ncessaire danalyser les performances du circuit simul en tenant compte des variations process. Pour cela, on ralise une analyse des corners. Elle correspond une approche pire cas. Il sagit de simuler le circuit diffrentes limites ou corners du process. Le design kit AMS C35 fournit des modles typiques et pire cas des composants, correspondant aux pires variations que peuvent subir les paramtres de leur process de fabrication. Au del des variations de process, il existe dautres sources de variations des performances de circuits : les variations de temprature et de tension dalimentation. Il convient donc de simuler le circuit aux valeurs typiques et aux limites de tempratures de fonctionnement et tensions dalimentation du circuit Retournez sur la fentre CIW et cliquez sur HIT-KIT Utilities/Corner Analysis. La fentre ci-dessous souvre. Les modles CMOS concerns sont inclus dans la librairie cmos53, qui apparat dans le champ MOS Model.

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Figure 32 Configuration dune analyse des corners

Entrez le nom du circuit (ampli). Les valeurs min, max et typiques de la temprature et des tensions dalimentation sont remplies par dfaut. Il faut ajouter les corners process. La librairie cmos53 contient diffrentes sections, correpondant aux diffrents corners : Tm : typical mean (conditions typiques) Ws : worst-case speed (vitesse la plus faible) Wp : worst-case power (consommation la plus forte, correspondant la vitesse la plus grande) Wo : worst-case one (1 logique) Wz : worst-case zero (0 logique) Ces conditions vont sappliquer aux diffrents lments du modle : transistor CMOS, rsistance, capacit, transistor bipolaire et inductance. Pour simuler tous ces corners, il est ncessaire de cliquer cinq fois sur le bouton Add Corner. Nommez ensuite les noms de ces 5 corners et indiquez les conditions pour les diffrents lments du modle. On peut aussi modifier les conditions de temprature et dalimentation (min, typ ou max). Ds que vous avez fini de remplir cette fentre, entrez un nom dans les champs Circuit Name et Template File Name cliquez sur Save Template File pour la sauvegarder puis cliquez OK pour revenir la fentre de simulation. Cliquez sur Tools/Corners La fentre prsente figure 33 souvre.

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Figure 33 Simulation danalyse des corners

Assurez vous que la simulation est correctement configure et cliquez sur le bouton Run pour lancer la simulation.

XI. Liste des raccourcis clavier sous Virtuoso Schematic EditorDans le tableau ci-dessous, les principaux raccourcis clavier utiliss dans lditeur de schmatique sont dcrits. touche commande c Copy f Fit window i Add instance l Label wire m Move p Add pin q Edit parameters r Rotate u Undo w Add wire z Zoom to box using left mouse clicks Move around window F3 Command options Left click Select/click middle-mouse over objects Typical properties right mouse Repeat last operation

XII. Support local lAIMEDepuis le site de lAIME (www.aime-toulouse.fr), vous pouvez accder un trs grand nombre de documentations sur les logiciels installs lAIME. Cependant, laccs ces documentations ne peut

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se faire quen local. En lanant nimporte quelle navigateur internet depuis lAIME, vous verrez le lien vers les documentations en ligne de lAIME (Docs des logiciels). Parmi elles, vous trouverez : la documentation du logiciel Cadence v5.1 et ses diffrents outils. Vous pouvez y accder partir du lien Cadence, puis Cadence 5.0 Documentation. Vous pourrez accder la documentation de chaque outil de lenvironnement Cadence (Virtuoso Schematic Composer, Spectre, Spectre RF, ) la documentation du design kit AMS Hit Kit v3.70, contenant entre autre des informations sur le process de la technologie AMS CMOS 0.35 m, les modles RF des transistors, les paramtres de bruit, les I/O et leurs protections ESD. La documentation est accessible depuis le lien AMS. Vous trouverez la documentation en ligne du design kit en cliquant sur Hit-Kit Online Documentation 3.70, et un ensemble de notes dapplication au format PDF.

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guide de demarrage cadence_2

Documents

logiciel cadence et

simulation transitoire

simulation dc

simulation paramtrique

logiciel cadence v5

logiciel cadence alexandre

schmatique et

design kit janvier