CN111241782B - 基于集成电路的供电噪声分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于集成电路的供电噪声分析方法，所述方法包括：S1、获取目标器件中所有感兴趣的节点1～N；S2、获取目标器件中的输出信号节点K及参考信号节点M；S3、获取目标器件中输入信号节点a_j的集合A＝{a₁,a₂,…,a_J}；S4、建立目标器件的不定导纳矩阵Y＝[IAM]_N×N；S5、针对任一输入信号节点a_j，提取不定导纳矩阵中包含输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M的元素组成兴趣不定导纳矩阵Y_int；S6、根据兴趣不定导纳矩阵Y_int进行目标器件的供电噪声分析。本发明的供电噪声分析方法能够适用于多种器件结构，能够定量地分析从衬底、电源等节点进入器件的噪声影响，可以得到闭合表达式，具有计算简单、计算效率高等优点，便于集成电路设计阶段的分析与优化。

Description

基于集成电路的供电噪声分析方法

技术领域

本发明属于集成电路分析技术领域，具体涉及一种基于集成电路的供电噪声分析方法。

背景技术

在大规模集成电路系统中，电源噪音(PSN)、接地噪音(GSN)以及衬底供电噪声(BSN)等对电路性能的影响在过去的十年里有了显著的增长。模拟振荡器、低噪声放大器、收发器等电路，混频器和数据转换器对供电通路的波动或浪涌更加敏感。对于放大器设计，如增益、相位和输入输出(I/O)阻抗是最重要的基本设计指标，供电扰动会对这些基本指标产生巨大的影响。然而，目前在设计阶段，仍然缺乏高效的分析方法来定性并且定量的分析供电扰动对于放大器的影响。

现有技术中，大多采用电路仿真的方法对供电噪声进行分析，整个过程繁冗，仿真时间长。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种基于集成电路的供电噪声分析方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于集成电路的供电噪声分析方法。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一种基于集成电路的供电噪声分析方法，所述方法包括：

S1、获取目标器件中所有感兴趣的节点1～N；

S2、获取目标器件中的输出信号节点K及参考信号节点M，其中，K、M∈[1,2,…,N]，且K≠M；

S3、获取目标器件中输入信号节点a_j的集合A＝{a₁,a₂,…,a_J}，j＝1,2,…,J；

S4、建立目标器件的不定导纳矩阵Y＝[IAM]_N×N；

S5、针对任一输入信号节点a_j，提取不定导纳矩阵中包含输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M的元素组成兴趣不定导纳矩阵Y_int；

S6、根据兴趣不定导纳矩阵Y_int进行目标器件的供电噪声分析。

一实施例中，所述步骤S5中的兴趣不定导纳矩阵Y_int为：

其中，α、β、γ分别为输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M中的最小值、中间值及最大值。

一实施例中，所述步骤S6包括：

S61、根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输入信号节点a_j与输出信号节点K之间的电压增益A_v,aj；

S62、根据电压增益A_v,aj及输入信号节点a_j的输入噪声电压V_n,aj，获取目标器件的输出噪声电压V_n,out。

一实施例中，所述输入信号节点a_j与输出信号节点K之间的电压增益A_v,aj为：

其中，

一实施例中，所述步骤S61后还包括：

判断是否满足j<J，若是，则输入信号节点a_j更新为a_j+1，并返回步骤S61，若否，则进入步骤S62。

一实施例中，所述目标器件的输出噪声电压V_n,out为：

一实施例中，所述步骤S6还包括：

根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输入信号节点a_j相对于参考信号节点M的输入阻抗：

其中，

一实施例中，所述步骤S6还包括：

根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输出信号节点K相对于参考信号节点M的输出阻抗：

其中，

一实施例中，所述目标器件为放大器、振荡器、收发器中的一种或多种。

一实施例中，所述步骤S4前还包括：

建立目标器件的小信号模型。

本发明具有以下有益效果：

本发明的供电噪声分析方法能够适用于多种器件结构，能够定量地分析从衬底、电源等节点进入器件的噪声影响，可以得到闭合表达式，具有计算简单、计算效率高等优点，便于集成电路设计阶段的分析与优化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中供电噪声分析方法的流程示意图；

图2为本发明一具体实施例中目标放大器的电路结构图；

图3为本发明一具体实施例中目标放大器的小信号模型示意图；

图4为本发明一具体实施例中由计算和仿真得到的输出噪声电压曲线的对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种基于集成电路的供电噪声分析方法，包括：

S1、获取目标器件中所有感兴趣的节点1～N；

S2、获取目标器件中的输出信号节点K及参考信号节点M，其中，K、M∈[1,2,…,N]，且K≠M；

S3、获取目标器件中输入信号节点a_j的集合A＝{a₁,a₂,…,a_J}，j＝1,2,…,J；

S4、建立目标器件的不定导纳矩阵Y＝[IAM]_N×N；

S5、针对任一输入信号节点a_j，提取不定导纳矩阵中包含输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M的元素组成兴趣不定导纳矩阵Y_int；

S6、根据兴趣不定导纳矩阵Y_int进行目标器件的供电噪声分析。

以下结合具体步骤对本发明作进一步说明。

步骤1：本发明中首先建立目标器件的小信号模型，目标器件可以为放大器、振荡器、收发器等器件，此处以放大器为例进行说明。

放大器的小信号模型没有固定的形式，一般地，放大器电路中电容与电感不做改变，晶体管采用其小信号模型替换，进而形成放大器的小信号模型。

步骤2：针对目标器件的小信号模型，获取目标器件中所有感兴趣的节点1～N，总编号数为N。

感兴趣的节点为对用户有意义的节点，包括输入信号节点、输出信号节点、参考信号节点，以及便于信号分析而标注的其他节点。

步骤3：针对目标器件的小信号模型，获取目标器件中的输出信号节点K及参考信号节点M，其中，K、M∈[1,2,…,N]，且K≠M。

例如，输出信号节点K为节点N，参考信号节点M为节点N-1。

步骤4：针对目标器件的小信号模型，获取目标器件中输入信号节点a_j的集合A＝{a₁,a₂,…,a_J}，j＝1,2,…,J，输入信号节点总共J个。

其中，步骤2～4的顺序无先后顺序，也可以在同一步骤中同时进行。

步骤5：根据目标器件的小信号模型，建立目标器件的不定导纳矩阵Y，维度为N×N；

Y＝[IAM]_N×N。

不定导纳矩阵属于基础分析方法，其矩阵随目标分析电路的不同而不同，此处针对不定导纳矩阵不再进行赘述。

步骤6：针对任一输入信号节点a_j，提取不定导纳矩阵中包含输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M的元素组成兴趣不定导纳矩阵Y_int。

对于任意一个输入信号节点a_j，提取原始不定导纳矩阵Y中的相应元素即可组成兴趣不定导纳矩阵Y_int，兴趣不定导纳矩阵Y_int即在原来不定导纳矩阵Y中提取包含输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M的元素组成的矩阵。

兴趣不定导纳矩阵包含于不定导纳矩阵，因此兴趣不定导纳矩阵不表征所有标注节点间的电流与电压关系，只表征当前设定的输入信号节点、输出信号节点以及参考信号节点间的电流与电压关系，兴趣不定导纳矩阵从属于不定导纳矩阵，不需要单独推导，只需要删除原来不定导纳矩阵中与当前输入信号节点、输出信号节点及参考信号节点无关的元素即可。

具体地，兴趣不定导纳矩阵Y_int为：

其中，α、β、γ分别为输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M中的最小值、中间值及最大值。

例如，针对a_j<K<M的情况，兴趣不定导纳矩阵Y_int为：

针对a_j<K<M以外的情况，调整提取元素相对顺序即可，例如，针对a_j<M<K的情况，将上述矩阵中的M和K替换后即为兴趣不定导纳矩阵Y_int。

步骤7：根据兴趣不定导纳矩阵Y_int进行目标器件的供电噪声分析。

首先，根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输入信号节点a_j与输出信号节点K之间的电压增益A_v,aj为：

其中，

而后判断是否满足j<J，若是，则输入信号节点a_j更新为a_j+1，并返回获取新输入信号节点的电压增益，若否，则结束。

根据兴趣不定导纳矩阵Y_int除了能够获取电压增益外，还可获取输入阻抗和输出阻抗。

根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输入信号节点a_j相对于参考信号节点M的输入阻抗为：

根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输出信号节点K相对于参考信号节点M的输出阻抗：

其中，

最后，根据电压增益A_v,aj及输入信号节点a_j的输入噪声电压V_n,aj，获取目标器件的输出噪声电压V_n,out。

根据上述步骤，可以得到确定输出信号节点K以及参考信号节点M的情形下，所有输入信号节点a_j与输出信号节点K之间的电压转换关系。

根据叠加定律，放大器输出信号节点的噪声是由分别施加在这些输入信号节点上的噪声共同产生的。假设每个输入信号节点a_j的输入噪声电压为V_n,aj，则总的输出噪声电压V_n,out为：

可以发现，上述输出噪声电压V_n,out公式中的输入信号节点a_j在选择是无任何特殊要求，因此输入信号节点可以包括电源、衬底等。

在本发明的一具体实施例中，参图2所示为目标放大器的电路结构图，其由P1与P2两个晶体管构成的简单的单级电压放大器，图3所示为目标放大器的小信号模型示意图。

本实施例中所有感兴趣的节点为节点1～7，总计7个节点，对应的不定导纳矩阵Y为：

输出信号节点K为节点3，参考信号节点M为节点5。

输入信号节点a_j的集合A＝{a₁,a₂,…,a₅}，总计5个输入信号节点，分别为节点1、节点2、节点4、节点6、节点7，即a₁＝1，a₂＝2，a₃＝4，a₄＝6，a₅＝7。其中，节点1包含一个有用正弦信号叠加一个噪声源，节点2、节点4、节点6、节点7只包含噪声源。

本实施例中包含三种情况a_j＜K＜M(a₁＝1，a₂＝2)、K＜a_j＜M(a₃＝4)和K＜M＜a_j(a₄＝6，a₅＝7)，如前文所述，可以获取对应的兴趣不定导纳矩阵Y_int。

进一步地，根据公式可以获取每个输入信号节点到输出信号节点之间的电压增益，再根据公式/>即可获取总的输出噪声电压。

参图4所示，通过上述方法可以得出的总输出噪声电压(实现Analytical)与仿真得到的总输出噪声电压(虚线Simulation)结果基本吻合。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的供电噪声分析方法能够适用于多种器件结构，能够定量地分析从衬底、电源等节点进入器件的噪声影响，可以得到闭合表达式，具有计算简单、计算效率高等优点，便于集成电路设计阶段的分析与优化。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种基于集成电路的供电噪声分析方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、获取目标器件中所有感兴趣的节点1～N；

S2、获取目标器件中的输出信号节点K及参考信号节点M，其中，K、M∈[1,2,…,N]，且K≠M；

S3、获取目标器件中输入信号节点a_j的集合A＝{a₁,a₂,…,a_J}，j＝1,2,…,J；

S4、建立目标器件的不定导纳矩阵Y＝[IAM]_N×N；

S5、针对任一输入信号节点a_j，提取不定导纳矩阵中包含输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M的元素组成兴趣不定导纳矩阵Y_int；

S6、根据兴趣不定导纳矩阵Y_int进行目标器件的供电噪声分析；

所述步骤S5中的兴趣不定导纳矩阵Y_int为：

其中，α、β、γ分别为输入信号节点a_j、输出信号节点K及参考信号节点M中的最小值、中间值及最大值；

所述步骤S6包括：

S61、根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输入信号节点a_j与输出信号节点K之间的电压增益

S62、根据电压增益及输入信号节点a_j的输入噪声电压/>获取目标器件的输出噪声电压V_n,out；

所述输入信号节点a_j与输出信号节点K之间的电压增益为：

其中，

2.根据权利要求1所述的基于集成电路的供电噪声分析方法，其特征在于，所述步骤S61后还包括：

判断是否满足j<J，若是，则输入信号节点a_j更新为a_j+1，并返回步骤S61，若否，则进入步骤S62。

3.根据权利要求1所述的基于集成电路的供电噪声分析方法，其特征在于，所述目标器件的输出噪声电压V_n,out为：

4.根据权利要求1所述的基于集成电路的供电噪声分析方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：

根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输入信号节点a_j相对于参考信号节点M的输入阻抗：

其中，

5.根据权利要求1所述的基于集成电路的供电噪声分析方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：

根据兴趣不定导纳矩阵Y_int获取输出信号节点K相对于参考信号节点M的输出阻抗：

其中，

6.根据权利要求1所述的基于集成电路的供电噪声分析方法，其特征在于，所述目标器件为放大器、振荡器、收发器中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的基于集成电路的供电噪声分析方法，其特征在于，所述步骤S4前还包括：

建立目标器件的小信号模型。