JP2002123568A - 遅延時間計算方法及び記録媒体 - Google Patents
遅延時間計算方法及び記録媒体Info
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Abstract
源電圧0〜Vddを時間Δtで直線変化する内部電源E
(t)で表示し、電流が漸減する飽和領域(領域2)を
表現しないため、トランジスタの動作特性に合致した遅
延計算ができないという課題があつた。 【解決手段】 固定値の抵抗素子と、時間に対して変化
する電源電電圧で表す前記トランジスタの動作特性を、
ゲート電位の変化で電流が増加する直線領域とゲート電
位一定で電流が漸減する飽和領域とに分けて表現するも
のである。
Description
スタで構成した論理回路の遅延時間を計算する遅延時間
計算方法及び該遅延時間計算方法を実行するコンピュー
タプログラムを格納した記録媒体に関するものである。
理フローを示す図であり、図9はインバータ(INV)
101とインバータ(INV)102を配線103で接
続した回路接続情報の抽出を示している。これ等の情報
から負荷をRC素子で表した回路構成情報を図10に示
すように作成する。ここで、インバータ101からなる
ソースモデル106を電源104と抵抗105とで表
す。また、ゲート出力端からみたアドミッタンスが例え
ば3次の項まで一致するように、配線103のRC分布
定数回路107およびインバータ102の入力ピンの容
量Cgとを決めて負荷構成素子108を構成する。
よび容量を有限のRC素子で近似する。ここで、RC分
布定数回路107の入力側容量を容量C2で表わすとと
もに、RC分布定数回路107の出力側容量と上記イン
バータ102における入力ピンの容量Cgとを容量C1
で表わし、RC分布定数回路107の抵抗Rにより、図
11に示すように、π型負荷モデル109を作成する。
ル106を接続したとしても、図10の回路ネットワー
クを接続したときに得られるゲート出力端の電圧波形に
対して、図11の回路を解析して得られる電圧波形が近
似できているようにC素子2個、R素子1個のπ型負荷
モデルを構成する。
odeling the Driving−Point
Characteristic of Resist
ive Interconnext for Accu
rate Delay Estimation(Pro
c.IEEE International Conf
erence on Computer−Aieded
−Design、1989年)に説明されているので、
詳細な説明は省略するが、パターンに応じてアドミッタ
ンスY(S)を下流側から計算して、ゲート出力端から
みたアドミッタンスY(S)を求め(文献Figure
3、式(19)〜式(32)参照)、得られたアドミッ
タンスY(S)からR,C1,C2を決定する(文献式
(14)〜(16)参照)。
して、ソースモデル106を接続して応答解析を行い遅
延時間を決定する。ソースモデル106は電源104と
抵抗105で表され、条件に応じた電源値/抵抗値を持
つ。計算方法については、先行技術文献A Gate
Delay Model for High−Spee
d−CMOS Circuits (Proc. 31
st ACM/IEEE Design Automa
tion Conference、1994)に詳述さ
れているので、詳細な説明は省略する。
ンバータ101のトランジスタ構成図である。今、出力
端子YのRiseを考えるとき、入力端子Aの電位がL
からHに変化(A→YのRiseの場合)すると、PM
OSトランジスタP1は入力Aの変化によりOFF状態
からON状態へと遷移し、出力負荷を充電する。出力負
荷の大小、つまりPMOSトランジスタP1のソース−
ドレイン間における電位の上昇度合が、ゲート電位の変
化度合に比べて遅い場合、図5に示すように、時間とと
もに電流が上昇する領域1に引き続いて速やかに指数関
数的に電流が減少する領域3に移動する第2のパターン
となる。そして、従来のソースモデル106では、図1
3に示すように、電源電圧が時間Δtで0〜Vddまで
直線変化する内部電源E(t)により上記第2のパター
ンを表現している。次に、従来は図11で生成した遅延
計算すべきπ型負荷モデル109を、等価な応答をする
図14に示すC型負荷モデルで近似することが行われて
いる。この場合、π型負荷モデル109の構成要素であ
る抵抗Rによる遮蔽効果を考慮した等価容量を用いて、
予め準備された入力波形の傾きと出力負荷容量を軸とす
る遅延テーブルから該当する位置を補間探索して求める
遅延値を得ている。
法は以上のように構成されているので、動作するトラン
ジスタにより出力負荷が充電されるが、従来のモデルで
は、図6に示すように、時間とともに電流が上昇する領
域1の後に、電流が緩やかに減少する領域2に続き、最
後に指数関数的に減少する領域3に移動する第1のパタ
ーンとなる場合もある。従来のモデルでは、図13に示
すように、電源電圧が時間Δtで0〜Vddまで直線変
化する内部電源E(t)で表現し、電流が漸減する飽和
領域(領域2)を表現しないため、トランジスタの動作
特性に合致した遅延計算ができないという課題があつ
た。 また、入力波形の傾きと出力負荷容量を軸とする
2次元遅延テーブルをライブラリとして持つ必要があ
り、膨大なデータ量となる。テーブルを使用する場合
は、補間誤差が発生する。本来解きたいπ型負荷モデル
の場合、負荷テーブル軸が3つに増えるため、テーブル
のデータ量がさらに大きくなり、実現不可能である。こ
のために等価容量に換算するという手法をとっている
が、等価容量に換算する誤差を生じるという課題があっ
た。
めになされたもので、電流が漸減する飽和領域(領域
2)を表現できるようにして、トランジスタの動作特性
に合致した遅延計算を精度良く行うことができる遅延時
間計算方法を得ることを目的とする。
を容易に利用することができるように記録した記録媒体
を提供することを目的とする。
計算方法は、トランジスタを抵抗値が固定の抵抗素子
と、時間に対して変化する電源電圧とでモデル化し、そ
のモデル化されたトランジスタの動作特性を、ゲート電
位の変化で電流が増加する第1の領域と、トランジスタ
の飽和領域に対応し、ゲート電位一定で電流が漸減する
第2の領域と、トランジスタの線形領域に対応し、ゲー
ト電位一定で電流が減少する第3の領域とに分けて表現
するものである。この発明に係る遅延時間計算方法は、
最終段の論理回路を構成するトランジスタの動作特性
を、ゲート電位の変化で電流が増加する第1の領域と、
トランジスタの飽和領域に対応し、ゲート電位一定で電
流が漸減する第2の領域と、トランジスタの線形領域に
対応し、ゲート電位一定で電流が減少する第3の領域と
に分けて表現するものである。この発明に係る遅延時間
計算方法は、モデル化されたトランジスタの動作特性が
電源電圧Eに上昇するに要する時間t=Δt1,t=Δ
t1+Δt2において、E=Rs×i(t)+v(t)
「ここで、i(t)は負荷モデルの充電電流、v(t)
は負荷モデルの充電電圧」が成立し、(E−v
(t))、i(t)が予め定められたゲート電位におけ
るIds−Vds「ここで、Idsはドレイン・ソース
間電流、Vdsはドレイン・ソース間電圧」特性線上に
あるという条件から、直線領域と飽和領域の境界電圧V
1、この境界に達するまでの時間Δt1、前記飽和領域
を経て電源電圧まで達する時間Δt2を決定するもので
ある。この発明に係る遅延時間計算方法は、予め定めら
れたゲート電位におけるIds−Vdsを折れ線でモデ
ル化した場合の当該折れ線を特定する関数情報と、固定
遅延を特定する入力スルーレートの関数情報とで構成し
た遅延ライブラリを用いるものである。この発明に係る
記録媒体は、この発明に係る遅延時間計算方法を実行す
るコンピュータプログラムを記録したものである。
説明する。 実施の形態1.図1から図3はこの発明の実施の形態1
における遅延計算の処理フローを示す図であり、インバ
ータ1とインバータ2を配線3で接続した回路接続情報
の抽出を示している。インバータ1,2はともに図12
のようにPMOSトランジスタ、NMOSトランジスタ
とにより構成される。そして、図2に示すように、イン
バータ1からなるソースモデル6を電源4と抵抗5とで
表し、配線3であるRC分布定数回路7およびインバー
タ2の入力ピン容量Cgとで負荷構成素子8を表し、全
体として回路構成情報の作成を行う。
分布定数回路7の入力側容量を容量C2で表わすととも
に、RC分布定数回路7の出力側容量と上記入力ピンの
容量Cgとの合成容量を容量C1で表わし、RC分布定
数回路7の抵抗Rにより、図3に示すように、負荷モデ
ル9を作成するもので、ここまでの構成は前記した従来
の図9〜図11と同じである。
せることで、ソースモデル6をトランジスタのソース抵
抗の時間依存性を表現するモデル(以下、E(t)モデ
ルと称する)とし、図4に示すように電源電圧を折れ線
による電圧波形で表現したもので、時間Δt1を要して
電圧が0→V1まで直線変化する形式で表すとともに、
時間Δt2を要して電圧がV1→Vddまで直線変化す
る形式で表すものである。
ら負荷へ流れ込む電流を合わせ込むモデルであるので、
電流波形を考慮しながらE(t)の形状を決定する。電
流波形には、セルの駆動能力と負荷の重さによって、図
5に示すように、時間とともに電流が上昇する領域1の
後に、電流が緩やかに減少する領域2が続き、最後に指
数関数的に減少する領域3に移動する第1のパターン
と、時間とともに電流が上昇する領域1に引き続いて速
やかに指数関数的に電流が減少する領域3に移動する第
2のパターンが存在する。
デルの波形を考察する。まず領域3は線形領域で回路の
時定数で決まる電流が流れる領域であるので、E(t)
=Eを当てることができる。従って領域1と領域2に異
なる波形のE(t)を与えればよいと考えられる。E
(t)は領域1、領域2のそれぞれに対して、時間に関
して異なる関数(但し、両方の関数は領域1,2に対応
する時間点で連続している)にて表現されるが、この実
施例では、図4のように計算の容易性を考慮して2つの
領域に異なる傾きの連続する直線を与える。E(t)が
上昇を開始する時間は、t=0の位置とは必ずしも一致
しない。この時間を固定遅延t0 とする。すなわち、E
(t)の波形は、固定遅延t0 経過後、最初のΔt1 の
時間でE(t)はV1 まで上昇し、その後のΔt2 でE
まで上昇する折れ線として定義し、t0 、Δt1 、
V1 、Δt2 を回路応答を記述するパラメータとする。
つまり、予め定められたゲート電位におけるIds−V
ds折れ線を特定する関数情報Δt1 、V1 、Δt
2 と、固定遅延t0 を特定する入力スルーレートTsl
ewの関数情報(予め抽出された遅延パラメータとして
記述される量)とで構成した遅延ライブラリを用いるこ
とにより、遅延テーブルを作成するための膨大なライブ
ラリ量を必要としない。入力波形が0又はVddに変化
し終えたと見做す時間をTslewとしたとき、固定遅
延t0 はTslewの関数で表現でき、例えばt0 (T
slew)=K10+K20・Tslewα の式で近似で
きる。この場合、固定遅延t0 を特定する入力スルーレ
ートの関数情報として、遅延ライブラリに記憶される遅
延パラメータは、このK10、K20、α等である。
い。この場合は、Δt2 =0、V1 =Eとして、直接領
域1から領域3に移動するE(t)の波形を与える。
デルのゲート出力v2 (t)は波形立ち上がり時次のよ
うに記述される。
とき、<case1> Δt1 =0の時
数情報Δt1 、V1 、Δt2 の決定について説明する。
図5のトランジスタの動作点の移動を見ると、領域1→
領域2、領域1→領域3、領域2→領域3の3つの境界
が存在する。この時のトランジスタの動作点はいずれも
Vgs=VddのIds−Vds特性上にあることに気
付く。言い換えれば境界条件を決定するには、Vgs=
Vdd時のIds−Vds特性があればよいということ
になる。このうち領域3は、MOSトランジスタの線形
領域に対応し、モデルの動作原理から固定値抵抗Rsで
充放電するので、領域3のIds−Vds特性は、Id
s=Vds/Rsで記述されなければならない。領域2
はMOSトランジスタの飽和領域に対応し、電流が漸減
する領域として記述される。これらの特徴を的確に表す
ために、Vgs=Vdd時のIds−Vds特性を、R
s、I0 、I1 を用いて図6のように表す。このモデル
では、Vds≦RsI1 の領域を線形領域、Vds>R
sI1 の領域を飽和領域と見ることになる。またVds
=Vdd時の飽和電流I0 を別に定義することで、飽和
領域でVdsが減少する(v2 が上昇する)に従って電
流が漸減する特性を持たせる。
s、I0 、I1 があらかじめ抽出されたパラメータとし
て記述される量となる。
パターン2を仮定する。図3に示したE(t)モデルの
回路図から E(t)=v2 (t)+Rsi(t) (6) の関係があることが分かる。パターン2を仮定している
ので、領域1→領域3へ移動することになる。領域1と
領域3の境界t=t0 +Δt1 では、E(t0 +Δ
t1 )=Eとなるので、 v2 (t0 +Δt1 )+Rsi(t0 +Δt1 )=E (7) を満たす。v2 (t0 +Δt1 )は、パターン2を仮定
しているので、Δt2 =0であるから、(4)式の値を
使う。
は次のように考える。 (1)最も簡単なトランジスタモデルによれば、i∝
(Vgs−Vth)2 であり、Vgsを1次式で近似す
ればi∝t2 となる。 (2)固定遅延の考察を考慮すれば、t=t0 でi=0
でなければならない。 (3)1次式近似を使えば、t=Tslewの位置でV
gs=Vddとなり、図6のIds−Vds特性にな
る。また、その時の電流値はVgs=Vdd時の線形領
域と飽和領域の境界電流値I1 である。したがってt=
Tslewでi=I1 となる。この条件を満たす式は、
関係式が得られる。
lew−t0 となるとき、i(t0+Δt1 )>I1 と
なり図6のIds−Vds特性から逸脱する(領域1と
領域3の境界は、Rsで決まる傾きの直線上になければ
ならない)。この状態は領域1→領域2の移動が起こっ
たために、「動作パターンがパターン2である」という
仮定が崩れたためである。この場合はパターン1として
処理しなければならない。パターン1では、領域1→領
域2の境界がt=t0 +Δt1 に当たり、Vgs=Eと
なる時間である。Vgsに同じ1次式を使用すれば、そ
の時間はt=Tslewであり、従ってΔt1 =Tsl
ew−t0 の関係が成立する。
0となる場合がある。この場合は、出力電流が流れる状
態にするのに時間がかかり、出力電流が流れ始めたとき
にはすでにVgs=Eであるという状態として理解され
る。モデルでは、この状態の時は瞬時にVgs=Vdd
のIds−Vds特性に移動すると考えられる。したが
って領域1は存在せず、領域2より始まるモデルとな
る。つまりΔt1 =0である。
の時
lew−t0 の時 Δt1 =Tslew−t0 となる。
るから、i(t0 )は図6のIds−Vds特性上にあ
る。また固定遅延の定義からv2 (t0 )=0であるか
ら、Vds=Vddとなり、i(t0 )=I0 でなけれ
ばならないことが分かる。従って V1 =RsI0 (13) となる。 (2)case2・・・0<Δt1 ≦Tslew−t0
の時 この場合は領域1→領域3に移動するパターン2であ
る。従って V1 =E (14) となる。 (3)case3・・・Δt1 =Tslew−t0 の時 この条件の場合、パターン1に相当し、t=t0 +Δt
1 でVgs=Vddであり、また0<v2 (t0 +Δt
1 )<RsI1 となるので、動作点は図7の位置にく
る。この時,i(t0 +Δt1 )は
いて、
1 は、
る。case1およびcase3の場合については、領
域2→領域3の境界においても v2 (t0 +Δt1 +Δt2 )+Rsi(t0 +Δt1 +Δt2 )=E (18) が成立する。領域2はVgs=Vddの飽和領域であ
り、領域3との境界では、i=I1 となる。v2(t0
+Δt1 +Δt2 )の式は、他と同様に前記(3)式
(case1の場合)や(5)式(case3の場合)
を使用する。
Δt2 は、 v2 (t0 +Δt1 +Δt2 )+RsI1 =E (19) を満たす。case1、case3の場合、(19)式
はΔt2 >0の解を1つ持つ。
ると、 <case1> Tslew−t0 ≦0の時 Δt1 =0 V1 =RsI0 v2 (t0 +Δt1 +Δt2 )RsI1 =Eを満たすΔ
t2 <case2> 0<Δt1 ≦Tslew−t0 の時
(ただしΔt1 は下記式を解いた結果)
lew−t0 となる時
によらず同じである。
ば、電圧源を時間と共に変化する2種類の直線の組み合
せで表現するようにしたので、トランジスタの飽和領域
で電流が漸減する動作を正確に反映でき、精度よく遅延
計算を行うことができる。
ランジスタのゲートを制御する場合である。ところが、
セルの中には例えばドライバセルのように、入力を制御
したトランジスタのドレインが、次のトランジスタの入
力を制御して、出力トランジスタが動作するタイプのも
のがある。前者の場合を1段のセル、後者の場合を多段
のセルと呼ぶことにする。
1段のセルの計算手法が成り立つ。従って最終段につい
ては、1段のセルと同じ計算を行う。このためには、内
部ノードの最終段の入力について、Vthとなる時間お
よびTslewの値が分かっていなければならない。こ
れを図8を用いて考察する。
OSトランジスタのしきい値電圧、Vth−pはセル
(インバータ)内のPMOSトランジスタのしきい値電
圧をそれぞれ示す。TslewPは前段セルの入力波形
がVth−nから電源電圧Vddに達するまでの時間で
あり、Tslewは前段セルの出力波形(最終段セルの
入力波形)がVth−pから接地電圧0Vに達するまで
の時間である。まず前段のセルの波形から、該当セルの
時刻0およびTslewp を決定することができる。最
終段の計算の基準時間は、セルの入力より遅れるので、
この遅れ時間をtmlt とする。また最終段のTslew
もTslewp とは異なる。
た遅延にtmlt を加算すれば、遅延を決定できることに
なるので、多段セルではTslewおよびtmlt を求め
る方法を決定すればよい。Tslew、tmlt とも内部
ノードの値であるので、出力Yに接続された負荷には依
存しないと考えられる。従って、これらは入力Aの波形
形状を表すTslewp のみの関数となる。1段セルの
固定遅延同様に、Tslewp が増加すればtmlt 、T
slewとも増加すると考えられる。そこで、多段セル
の内部遅延は、
K2t、αt は予め抽出される遅延パラメータであり、こ
れらの遅延パラメータは遅延ライブラリに記憶されてい
る。tmlt 、Tslewはこの遅延ライブラリを用いる
ことにより得られる。
で内部ノードの計算の有無を切り替えても良いが、1段
のセルの場合、(22)、(23)式において、
となり両者を区別なく取り扱うことができる。
ば、セル内で論理段(CMOS論理ゲート)を複数持つ
場合には、最終段とそれ以外の前段部分に分割して、最
終段のゲート入力波形を計算することにより、上記の電
圧源の折れ点を積度良く計算することができる。
延時間計算方法を実行するコンピュータプログラムを記
録媒体に記録しておくもので、この記録内容を読み出す
ことにより、直ちにこの発明の遅延時間計算方法を実施
することができる。
ジスタを抵抗値が固定の抵抗素子と、時間に対して変化
する電源電圧とでモデル化し、そのモデル化されたトラ
ンジスタの動作特性を、ゲート電位の変化で電流が増加
する第1の領域と、トランジスタの飽和領域に対応し、
ゲート電位一定で電流が漸減する第2の領域と、トラン
ジスタの線形領域に対応し、ゲート電位一定で電流が減
少する第3の領域とに分けて表現するように構成したの
で、トランジスタの飽和領域で電流が漸減する動作を正
確に反映でき、精度よく遅延計算を行うことができると
いう効果がある。
成するトランジスタの動作特性を、ゲート電位の変化で
電流が増加する第1の領域と、トランジスタの飽和領域
に対応し、ゲート電位一定で電流が漸減する第2の領域
と、トランジスタの線形領域に対応し、ゲート電位一定
で電流が減少する第3の領域とに分けて表現するように
構成したので、複数個直列に接続された最終段の論理回
路を構成するトランジスタの動作特性を精度良く計算す
ることができるという効果がある。
ジスタの動作特性が電源電圧Eに上昇するに要する時間
t=Δt1,t=Δt1+Δt2において、E=Rs×
i(t)+v(t)が成立し、(E−v(t))、i
(t)が予め定められたゲート電位におけるIds−V
ds特性線上にあるという条件から、直線領域と飽和領
域の境界電圧V1、この境界に達するまでの時間Δt
1、前記飽和領域を経て電源電圧まで達する時間Δt2
を決定するように構成したので、トランジスタの動作特
性を精度良く計算することができるという効果がある。
電位におけるIds−Vdsを折れ線でモデル化した場
合の当該折れ線を特定する関数情報と、固定遅延を特定
する入力スルーレートの関数情報とを構成したライブラ
リを用いるように構成したので、従来のようにπ型負荷
モデルをC型負荷モデルに近似する必要がなく、近似に
よる誤差、遅延テーブルによる補間誤差等がなく、ま
た、遅延テーブルを作成するための膨大なライブラリ量
を必要としないという効果がある。
算方法を実行するコンピュータプログラムを記録媒体に
記録するように構成したので、この記録内容を読み出す
ことにより、この発明の遅延時間計算方法を容易に実施
することができるという効果がある。
報の抽出図である。
ある。
る。
の論理パスの説明図である。
C型負荷モデル図である。
を示す特性図である。
6 ソースモデル、7RC分布定数回路、8 負荷構成
素子、9 負荷モデル、Cg 入力ピン容量。
Claims (5)
- 【請求項1】 MOSトランジスタを含んだ論理回路の
遅延時間計算方法において、前記トランジスタを抵抗値
が固定の抵抗素子と、時間に対して変化する電源電圧と
でモデル化し、そのモデル化されたトランジスタの動作
特性を、ゲート電位の変化で電流が増加する第1の領域
と、前記トランジスタの飽和領域に対応し、ゲート電位
一定で電流が漸減する第2の領域と、前記トランジスタ
の線形領域に対応し、ゲート電位一定で電流が減少する
第3の領域とに分けて表現することを特徴とする遅延時
間計算方法。 - 【請求項2】 MOSトランジスタを含んだ論理回路が
複数個直列に接続された回路の遅延時間計算方法におい
て、最終段の論理回路を構成するトランジスタの動作特
性を、ゲート電位の変化で電流が増加する第1の領域
と、前記トランジスタの飽和領域に対応し、ゲート電位
一定で電流が漸減する第2の領域と、前記トランジスタ
の線形領域に対応し、ゲート電位一定で電流が減少する
第3の領域とに分けて表現することを特徴とする請求項
1記載の遅延時間計算方法。 - 【請求項3】 モデル化されたトランジスタの動作特性
が電源電圧Eに上昇するに要する時間t=Δt1,t=
Δt1+Δt2において、E=Rs×i(t)+v
(t)「ここで、i(t)は負荷モデルの充電電流、v
(t)は負荷モデルの充電電圧」が成立し、(E−v
(t))、i(t)が予め定められたゲート電位におけ
るIds−Vds「ここで、Idsはドレイン・ソース
間電流、Vdsはドレイン・ソース間電圧」特性線上に
あるという条件から、直線領域と飽和領域の境界電圧V
1、この境界に達するまでの時間Δt1、前記飽和領域
を経て電源電圧まで達する時間Δt2を決定することを
特徴とする請求項1または請求項2記載の遅延時間計算
方法。 - 【請求項4】 予め定められたゲート電位におけるId
s−Vdsを折れ線でモデル化した場合の当該折れ線を
特定する関数情報と、固定遅延を特定する入力スルーレ
ートの関数情報とで構成した遅延ライブラリを用いるこ
とを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか
1項記載の遅延時間計算方法。 - 【請求項5】 請求項1から請求項4のうちのいずれか
1項記載の遅延時間計算方法を実行するコンピュータプ
ログラムを記録した記録媒体。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000314251A JP4462745B2 (ja) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | 遅延時間計算方法及び記録媒体 |
US09/879,197 US7127385B2 (en) | 2000-10-13 | 2001-06-13 | Delay time estimation method and recording medium storing estimation program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000314251A JP4462745B2 (ja) | 2000-10-13 | 2000-10-13 | 遅延時間計算方法及び記録媒体 |
Publications (2)
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