JP2008181377A - System and method for designing semiconductor device - Google Patents

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且洋 古川
Tatsuya Ishigami
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device design system shortening a design period. <P>SOLUTION: The semiconductor device design system is provided with a circuit simulator part SIM for calculating the electric characteristics of an analog circuit including transistors and an optimization control part OPT for operating the SIM while changing a circuit constant of each transistor and automatically searching a circuit constant satisfying previously determined design specifications SPEC. The OPT calculates the circuit constants of respective transistors while sequentially changing the values of respective parameters on the basis of a restriction expression composed of a plurality of previously determined parameters and reflects the calculated circuit constants to the SIM. One of the plurality of parameters shows a rate to a current flowing into a certain reference transistor, and the parameter is obtained by reflecting a Kirchhoff's current rule based on circuit topology between the parameter and the reference transistor. Thus, a search range can be refined by calculating the circuit constant of another transistor by the restriction expression related to the reference transistor. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体装置の設計システムおよび設計方法に関し、特にアナログ回路を含む半導体装置の回路定数設計システムおよび設計方法に適用して有益な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device design system and design method, and more particularly to a technology useful when applied to a circuit constant design system and design method for a semiconductor device including an analog circuit.

例えば、非特許文献1および非特許文献2には、幾何学的最適化プログラミング(GP:Geometric Programming)を用いたオペアンプ回路の設計手法が示されている。GPでは、対象とする回路の特性をposynominal関数やmonominal関数からなる複数の不等式で記載し、コンピュータによってその最適解を求めることで回路定数等を決定する。このGP設計手法を用いると、グローバルな最適解を得ることが可能となる。
P.Mandal, V.Visvanathan、“CMOS Op-Amp Sizing Using a Geometric Programming Formulation”、IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS、2001年1月、VOL.20、NO.1、p.22-38 Maria del Mar Hershenson, Stephen P. Boyd, Thomas H. Lee、“Optimal Design of a CMOS Op-Amp via Geometric Programming”、IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS、2001年1月、VOL.20、NO.1、p.1-21
For example, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 show a method for designing an operational amplifier circuit using geometric optimization programming (GP). In GP, the characteristics of a target circuit are described by a plurality of inequalities including a posynominal function and a monominal function, and a circuit constant and the like are determined by obtaining an optimal solution by a computer. By using this GP design method, a global optimum solution can be obtained.
P. Mandal, V. Visvanathan, “CMOS Op-Amp Sizing Using a Geometric Programming Formulation”, IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS, January 2001, VOL.20, NO.1, p.22 -38 Maria del Mar Hershenson, Stephen P. Boyd, Thomas H. Lee, “Optimal Design of a CMOS Op-Amp via Geometric Programming”, IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTER-AIDED DESIGN OF INTEGRATED CIRCUITS AND SYSTEMS, January 2001, VOL.20 , NO.1, p.1-21

近年、SOC(System On Chip)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、マイクロコンピュータなどを代表に、アナログ回路とディジタル回路が混在した半導体装置が広く使われている。このような半導体装置を開発する際には、その性能は勿論のこと、いかに短期間で開発できるかが重要となる。ディジタル回路に関しては、機能設計からレイアウト設計に至るまでの自動化が進んでおり、短期間で設計を完了することが可能になってきている。一方、アナログ回路に関しては、ディジタル回路に比べて、設計の自由度が格段に大きいことや、製造プロセス変動等に対するマージンを含めて満たすべき要求仕様が複雑に入り組んでいることなどから自動化がさほど進んではいない。したがって、このような半導体装置では、アナログ回路の設計が製品開発期間に大きな影響を与えている。   2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor devices in which analog circuits and digital circuits are mixed are widely used, such as SOC (System On Chip), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), and microcomputers. When developing such a semiconductor device, not only its performance but also how it can be developed in a short period of time is important. With regard to digital circuits, automation from functional design to layout design is progressing, and it has become possible to complete the design in a short period of time. Analog circuits, on the other hand, are much more automated than digital circuits because of the greater degree of design freedom and the complicated requirements that must be met, including margins for manufacturing process fluctuations. Not. Therefore, in such a semiconductor device, the design of the analog circuit has a great influence on the product development period.

図12は、本発明の前提として検討したアナログ回路の設計手順の一例を示すフロー図である。この設計フローは、主に人手に基づいて回路定数を決定する際の一般的なフローである。例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)オペアンプ回路の設計を例とすると、まず、設計者が、予め作成してあるCMOSオペアンプ回路に対して、規定の設計仕様を満たせるような回路定数(ゲート長Lおよびゲート幅W)を設定する(S121)。設計仕様の項目としては、例えば、利得、ユニティゲイン周波数、位相余裕、およびスルーレートなどを代表に様々のものが挙げられる。   FIG. 12 is a flowchart showing an example of an analog circuit design procedure studied as a premise of the present invention. This design flow is a general flow when determining circuit constants mainly based on manpower. For example, taking the design of a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) operational amplifier circuit as an example, first, a circuit constant (gate length L) that allows a designer to satisfy a prescribed design specification for a CMOS operational amplifier circuit created in advance. And the gate width W) are set (S121). Examples of design specifications include various items such as gain, unity gain frequency, phase margin, and slew rate.

次いで、この回路定数を設定したCMOSオペアンプ回路に対してコンピュータを用いた回路シミュレーションを実行する(S122)。その後、設計者又は回路シミュレータがシミュレーション結果から利得、ユニティゲイン周波数等といった回路特性の数値を算出し(S123)、それが規定の設計仕様を満たしているか判定を行う(S124)。設計仕様を満たしている場合には回路定数が確定するが(S125)、そうでない場合にはS121に移行し、設計者が回路定数を再設定後、再び回路シミュレーションを用いた確認を行う。以降、このような作業が、設計仕様を満たせるようになるまで何度も繰り返される。通常、プロセス変動や温度変動等を加味すると回路定数は容易に確定できるようなものではなく、このような作業を短期間で完了するためには、設計者が、初期段階で如何に妥当な回路定数を設定できるか、または設計仕様を満たさない場合にどのように対処すべきかといった高度な設計ノウハウや豊富な経験が必要とされる。   Next, a circuit simulation using a computer is executed for the CMOS operational amplifier circuit in which the circuit constants are set (S122). Thereafter, a designer or a circuit simulator calculates numerical values of circuit characteristics such as a gain and a unity gain frequency from the simulation result (S123), and determines whether or not the specified design specifications are satisfied (S124). If the design specification is satisfied, the circuit constant is determined (S125), but if not, the process proceeds to S121, and the designer re-sets the circuit constant and confirms again using the circuit simulation. Thereafter, such an operation is repeated many times until the design specification can be satisfied. Normally, circuit constants are not easily determined by taking process fluctuations, temperature fluctuations, etc. into consideration. Advanced design know-how and abundant experience such as how to deal with the case where the constant can be set or the design specification is not satisfied are required.

そこで、例えば、コンピュータの処理能力を活用することで、図12のループ処理を試行錯誤で自動的に行わせることも可能である。すなわち、回路定数(L,W)を変数とし、設計者がその初期値やその可変範囲および刻み幅などを設定することで自動的に図12のループ処理が行われるような機能をコンピュータ上に実装すればよい。しかしながら、CMOSオペアンプ回路内には通常多くのMOSトランジスタが含まれている。そうすると、各MOSトランジスタの回路定数(L,W)をそれぞれ独立変数として変動させた場合、変数の個数の多さからループ処理による演算回数が膨大となり、現実的には解を得られないような事態も起こり得る。したがって、この場合も設計者のスキルに依存し、如何に妥当な初期値および可変範囲を設定できるかが重要となる。   Therefore, for example, by utilizing the processing capability of the computer, the loop processing of FIG. 12 can be automatically performed by trial and error. That is, a function is provided on the computer so that the loop processing of FIG. 12 is automatically performed by setting the initial value, the variable range, the step size, etc. by the designer using the circuit constants (L, W) as variables. Just implement it. However, a CMOS operational amplifier circuit usually includes many MOS transistors. Then, when the circuit constants (L, W) of each MOS transistor are varied as independent variables, the number of operations by the loop processing becomes enormous due to the large number of variables, and a solution cannot be obtained in reality. Things can happen. Therefore, also in this case, depending on the skill of the designer, it is important how appropriate initial values and variable ranges can be set.

一方、このような回路シミュレーションを活用した設計手法と異なるものとして、非特許文献1,2に示されるような設計手法がある。この設計手法は、概念的には、対象とするCMOSオペアンプ回路を小信号等価回路で表現し、前述した設計仕様の各項目に対して等価回路から得られる評価式(不等式)を作成し、その評価式をコンピュータによって解析しながら面積等を加味して回路定数を決定していくような手法である。この際に、解が収束するためには評価式がposynominal関数やmonominal関数でなければならない。解が得られた際には、その解を反映したCMOSオペアンプ回路に対して回路シミュレーションが行われる。この場合、回路シミュレーションは、作成した評価式の妥当性を評価するために用いられる。   On the other hand, there is a design method as shown in Non-Patent Documents 1 and 2 as a different method from the design method utilizing such circuit simulation. This design method conceptually expresses the target CMOS operational amplifier circuit with a small signal equivalent circuit, creates an evaluation expression (inequality) obtained from the equivalent circuit for each item of the design specification described above, In this method, the circuit constants are determined in consideration of the area and the like while analyzing the evaluation formula by a computer. In this case, in order for the solution to converge, the evaluation formula must be a posynominal function or a monominal function. When the solution is obtained, circuit simulation is performed on the CMOS operational amplifier circuit reflecting the solution. In this case, the circuit simulation is used to evaluate the validity of the created evaluation formula.

しかしながら、この場合、評価対象となる回路毎に等価回路や評価式を作成する必要があるため、設計者の高度な専門知識が必要とされる。特に、評価式においては、設計者が、評価式をposynominal関数やmonominal関数にしなければならないことに加えて、プロセス、電源電圧、温度依存性のマージンを確保する為の所謂コーナー条件毎に評価式の係数を調整する必要もある。したがって、妥当な評価式を作成するのに手間を要し、また、高度な専門知識が必要とされることから容易な設計手法とは言い難い。   However, in this case, since it is necessary to create an equivalent circuit and an evaluation formula for each circuit to be evaluated, a highly specialized knowledge of the designer is required. In particular, in the evaluation formula, in addition to the designer having to make the evaluation formula a posynominal function or monominal function, an evaluation formula for each so-called corner condition for ensuring a margin for process, power supply voltage, and temperature dependence. It is also necessary to adjust the coefficient. Therefore, it takes time and effort to create a reasonable evaluation formula, and it is difficult to say that it is an easy design method because advanced technical knowledge is required.

そこで、本発明の目的は、設計期間の短縮を実現可能な半導体装置の設計システムおよび設計方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、設計の容易化を実現可能な半導体装置の設計システムおよび設計方法を提供することにある。なお、本発明の前記ならびにそれ以外の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device design system and design method capable of reducing the design period. Another object of the present invention is to provide a semiconductor device design system and a design method capable of facilitating design. The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

本発明の一実施の形態による半導体装置の設計システムは、予め定められた制約式に基づいて回路図内の複数のトランジスタの回路定数を算出する処理と、この回路定数を用いて回路シミュレーションを実行するという処理を自動的に繰り返すことで、予め定められた電気的特性等の設計仕様を満たせる回路定数を自動的に探索するものである。この際に、制約式には変数または定数となるパラメータが複数含まれ、その内の1つは、複数のトランジスタの一つとなる基準トランジスタを比較対象に、これとの電流比をキルヒホッフの電流則を反映させながら表した第1パラメータとなっていることが特徴となっている。このように基準トランジスタと関連付けた制約式によって他のトランジスタの回路定数を算出できるようにすることで、回路定数の探索範囲を狭めることが可能となり、設計期間の短縮が実現可能となる。   A semiconductor device design system according to an embodiment of the present invention calculates a circuit constant of a plurality of transistors in a circuit diagram based on a predetermined constraint equation, and executes a circuit simulation using the circuit constant. By automatically repeating this process, circuit constants that can satisfy design specifications such as predetermined electrical characteristics are automatically searched. At this time, the constraint equation includes a plurality of parameters that are variables or constants, one of which is a reference transistor that is one of the plurality of transistors, and the current ratio is compared with Kirchhoff's current law. This is characterized by the first parameter expressed while reflecting the above. Thus, by making it possible to calculate the circuit constants of other transistors using the constraint equation associated with the reference transistor, the search range of circuit constants can be narrowed, and the design period can be shortened.

なお、具体例として、例えばMOSトランジスタ(Mi)の回路定数となるゲート幅Wおよびゲート長Lを定める制約式は、
/L=kr’・kc・kb・(W/L
となる。kr’は、基準MOSトランジスタ(M1)とMOSトランジスタ(Mi)の間でP型又はN型からなる導電型の違いを表すパラメータであり、kbは、M1とMiの間でゲートバイアス電圧の比を表すパラメータであり、kcは、M1とMiの間でソース−ドレイン間電流の比を表す前述した第1パラメータである。また、W/Lは、M1の回路定数となるゲート幅/ゲート長を表すパラメータである。このように、簡潔な制約式で回路定数を規定することで設計の容易化が図れる。なお、回路定数を厳密な式で表現すると、電源電圧や温度等の依存性を反映した項が必要となるが、本実施の形態の設計システムでは、制約式は探索範囲を狭める役目を担い、電源電圧や温度等の依存性は、回路シミュレーションによって担保する。
As a specific example, for example, a constraint equation for determining a gate width W i and a gate length L i which are circuit constants of the MOS transistor (Mi) is:
W i / L i = kr ′ · kc i · kb i · (W 1 / L 1 )
It becomes. kr ′ is a parameter representing a difference in conductivity type of P-type or N-type between the reference MOS transistor (M1) and the MOS transistor (Mi), and kb i is a gate bias voltage between M1 and Mi. it is a parameter representing the ratio, kc i is the source between the M1 and Mi - a first parameter described above represents the ratio of the drain current. W 1 / L 1 is a parameter representing the gate width / gate length that is the circuit constant of M1. In this way, the design can be facilitated by defining the circuit constants with a simple constraint equation. In addition, if the circuit constant is expressed by a strict expression, a term that reflects the dependency of the power supply voltage, temperature, etc. is required, but in the design system of the present embodiment, the constraint expression plays a role of narrowing the search range, Dependencies such as power supply voltage and temperature are secured by circuit simulation.

本発明の一実施の形態による半導体装置の設計システムを用いることで、回路定数の自動探索範囲をある程度狭めることが可能となり、設計期間の短縮または設計の容易化が実現可能となる。   By using the semiconductor device design system according to one embodiment of the present invention, the automatic search range of circuit constants can be narrowed to some extent, and the design period can be shortened or the design can be facilitated.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。   In the following embodiment, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant, and one is the other. Some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like are related. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment, and the repetitive description thereof will be omitted.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置の設計システムにおいて、その構成の一例を示す概略図である。図1の設計システムSYSは、CPUやRAM等を含んだコンピュータシステムによるプログラム処理によって実現され、例えば、回路シミュレータ部SIMと、最適化制御部(オプティマイザ)OPTなどによって構成される。回路シミュレータ部SIMは、与えられた各種条件の下で回路図(ネットリスト)CITに記載されている回路の電気的特性を算出する機能を備え、例えばSPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)系と呼ばれるものなどが広く知られている。最適化制御部OPTは、その機能概要として、SIMよるシミュレーション結果が予め定めた仕様を満足するまで、回路図CIT内の各素子の回路定数(MOSトランジスタの場合はゲート長Lやゲート幅W)を自動的に変更し、これによって回路定数の自動設計を行うものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a semiconductor device design system according to Embodiment 1 of the present invention. The design system SYS of FIG. 1 is realized by program processing by a computer system including a CPU, a RAM, and the like, and includes, for example, a circuit simulator unit SIM and an optimization control unit (optimizer) OPT. The circuit simulator unit SIM has a function of calculating electrical characteristics of a circuit described in a circuit diagram (net list) CIT under various given conditions. For example, a SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) system and What is called is widely known. As an outline of the function, the optimization control unit OPT has circuit constants (gate length L and gate width W in the case of a MOS transistor) of each element in the circuit diagram CIT until the simulation result by the SIM satisfies a predetermined specification. Is automatically changed to automatically design circuit constants.

最適化制御部OPTは、入力制御部ICTLと、出力制御部OCTLと、シミュレータ制御部SCTLを含んでいる。入力制御部ICTLは、設計者によって予め定められた各種制約条件CSTや回路図CITに与える入力信号などをシミュレータ制御部SCTLからの制御に基づいて決定し、これらの情報を回路シミュレータ部SIMに設定する。出力制御部OCTLは、判定処理部JGEを含み、SIMでのシミュレーション結果が予め設計者によって定められた設計仕様SPECを満たしているかを判定する。   The optimization control unit OPT includes an input control unit ICTL, an output control unit OCTL, and a simulator control unit SCTL. The input control unit ICTL determines various constraint conditions CST predetermined by the designer and input signals to be given to the circuit diagram CIT based on the control from the simulator control unit SCTL, and sets these information in the circuit simulator unit SIM To do. The output control unit OCTL includes a determination processing unit JGE, and determines whether a simulation result in the SIM satisfies a design specification SPEC determined in advance by a designer.

シミュレータ制御部SCTLは、ループ制御部LP等を含み、出力制御部OCTLからの判定結果に基づいて、新たなシミュレーション条件や回路定数の条件を策定し、これらの条件がSIMに設定されるように入力制御部ICTLを制御する。すなわち、所定のシミュレーション条件でのシミュレーション結果が設計仕様SPECを満足するまで回路定数の条件変更を繰り返すループ処理を行う。なお、シミュレーション条件の中には、コーナー条件CNDと呼ばれるプロセス条件(P)/電圧条件(V)/温度条件(T)/トランジスタの詳細モデル(Model)の組合せや、前述した回路図CITに与える入力信号の条件などが含まれる。   The simulator control unit SCTL includes a loop control unit LP and the like. Based on the determination result from the output control unit OCTL, new simulation conditions and circuit constant conditions are formulated, and these conditions are set in the SIM. Controls the input control unit ICTL. That is, a loop process for repeatedly changing the condition of the circuit constant is performed until the simulation result under the predetermined simulation condition satisfies the design specification SPEC. The simulation conditions include a combination of process condition (P) / voltage condition (V) / temperature condition (T) / detailed transistor model (Model) called corner condition CND, and the above-described circuit diagram CIT. Includes input signal conditions.

このような構成において、図1の設計システムの主要な特徴は、回路図CIT内に含まれる各回路素子の回路定数に対し、その定数設定範囲に制約を加えるための制約条件CSTにある。CSTには、トランジスタ(TR)やコンデンサ(容量)(C)や抵抗(R)といった回路素子に対応する制約式が含まれるが、その中でも、特にTRの制約式に特徴がある。すなわち、詳細は後述するが、このTRの制約式を利用してTRの回路定数(例えばMOSトランジスタの場合のL,W)の設定範囲を適切化することで、例えば、最適化制御部OPTによる回路定数の自動設計が短期間で行えるようにする。   In such a configuration, the main feature of the design system of FIG. 1 is a constraint condition CST for restricting the constant setting range for the circuit constants of each circuit element included in the circuit diagram CIT. CST includes constraint expressions corresponding to circuit elements such as transistors (TR), capacitors (capacitance) (C), and resistances (R). Among them, the constraint expression of TR is particularly characteristic. That is, although details will be described later, by using the TR constraint equation to optimize the setting range of the TR circuit constants (for example, L and W in the case of MOS transistors), for example, by the optimization controller OPT Enable automatic design of circuit constants in a short period of time.

次に、トランジスタTRの制約式についてその原理の説明を行う。本実施の形態1ではトランジスタTRとしてMOSトランジスタを例とする。例えば、オペアンプ回路などのアナログ回路では、MOSトランジスタを飽和領域で動作させる。MOSトランジスタの飽和領域では、式(1)および式(2)の関係が成り立つ。   Next, the principle of the constraint equation of the transistor TR will be described. In the first embodiment, a MOS transistor is taken as an example of the transistor TR. For example, in an analog circuit such as an operational amplifier circuit, a MOS transistor is operated in a saturation region. In the saturation region of the MOS transistor, the relations of the expressions (1) and (2) are established.

DS>VGS−V (1)
=k’・(W/L)・(VGS−V (2)
ここで、VDSはソース−ドレイン間電圧、VGSはソース−ゲート間電圧、Vはしきい値電圧、Iはソース−ドレイン間電流、Wはゲート幅、Lはゲート長である。また、k’は電子又はホールの移動度μとゲート酸化膜の単位面積当たりの容量Cを用いて式(3)で与えられる。
V DS > V GS −V T (1)
I D = k ′ · (W / L) · (V GS −V T ) 2 (2)
Here, V DS is a source-drain voltage, V GS is a source-gate voltage, V T is a threshold voltage, ID is a source-drain current, W is a gate width, and L is a gate length. Further, k ′ is given by Equation (3) using the mobility μ of electrons or holes and the capacitance C O per unit area of the gate oxide film.

k’=(1/2)・μ・C (3)
なお、式(2)は、厳密にはチャネル長変調効果や基板バイアス効果などの項が加わることになるが、本実施の形態1の設計システムでは、特に厳密な数式を用いる必要性はなく、数式が単純である方が望ましいため、これらの項を省略している。ここで、ある基準となるMOSトランジスタM1におけるソース−ドレイン間電流ID1と、着目するMOSトランジスタMiにおけるIDiとの電流比をkc(=IDi/ID1)とおき、式(2)を用いて変形すると、Miの回路定数(ゲート幅W/ゲート長L)は式(4)となる。
k ′ = (1/2) · μ · C O (3)
Strictly speaking, the expression (2) adds terms such as a channel length modulation effect and a substrate bias effect. However, in the design system of the first embodiment, it is not necessary to use a strict mathematical expression. Since it is desirable that the mathematical formula is simple, these terms are omitted. Here, the current ratio between the source-drain current I D1 in the MOS transistor M1 as a reference and I Di in the MOS transistor Mi of interest is set as kc i (= I Di / I D1 ), and the equation (2) The circuit constant of Mi (gate width W i / gate length L i ) is expressed by equation (4).

/L=kr’・kc・kb・(W/L) (4)
式(4)において、kr’はMiとM1の間のk’の比、kbはMiとM1の間のゲートバイアス電圧の比をそれぞれ意味するものであり、式(4)は、正確には式(5)で記述される。尚、式(2)の2乗特性(非線形性)や省略された基板バイアス効果などの項は、単純化された線形式に基づく判定結果に対応する係数の微調整の繰り返し(ループ処理)により実効的に表現され状態で設計される。同様の例としてニュートン法と呼ばれる数値計算手法がある。
W i / L i = kr ′ · kc i · kb i · (W 1 / L 1 ) (4)
In Equation (4), kr ′ means the ratio of k ′ between Mi and M1, and kb i means the ratio of the gate bias voltage between Mi and M1, respectively. Is described by equation (5). The terms such as the square characteristic (non-linearity) and the omitted substrate bias effect in the equation (2) are obtained by repeating fine adjustment (loop processing) of the coefficient corresponding to the determination result based on the simplified line format. Effectively expressed and designed in a state. A similar example is a numerical calculation method called Newton's method.

Figure 2008181377
Figure 2008181377

本実施の形態1の設計システムでは、この式(4)をMOSトランジスタの制約式とすることで、回路図CIT内に含まれる各MOSトランジスタMiの回路定数(W/L)を、基準のMOSトランジスタM1の回路定数(W/L)と3種類のパラメータ(kr’,kc,kb)によって表現することが特徴となっている。言い換えれば、M1とMiの回路定数をそれぞれ独立変数として扱うのではなく、Miの回路定数を、M1の回路定数に対して、k’の比(kr’)と電流比(kc)とバイアス比(kb)で関連付けて取り扱う。そして、この関連付けに際しては、以下に説明するようにキルヒホッフの法則を利用する。 In the design system according to the first embodiment, the equation (4) is used as a constraint equation for the MOS transistor, so that the circuit constant (W i / L i ) of each MOS transistor Mi included in the circuit diagram CIT is used as a reference. The MOS transistor M1 is characterized by the circuit constant (W 1 / L 1 ) and three types of parameters (kr ′, kc i , kb i ). In other words, the circuit constants of M1 and Mi are not treated as independent variables, but the circuit constant of Mi is compared with the circuit constant of M1 by the ratio of k ′ (kr ′), current ratio (kc i ), and bias. They are handled in association with the ratio (kb i ). In this association, Kirchhoff's law is used as described below.

図2は、図1の設計システムを用いて自動設計を行う回路例として、フォールデッドカスコード型CMOSオペアンプ回路の一例を示す回路図である。図3は、図2と異なる回路例として、基本的なCMOSオペアンプ回路の一例を示す回路図である。図2の回路は、PMOSトランジスタM1,M1_2,M2(_1,2),M5(_1,2),M6(_1〜3),M8(_1〜3)と、NMOSトランジスタM3(_1,2),M4(_1,2),M7(_1,2)と、位相補償容量Ccとバイアス電流源(バイアス電流)Ib1,Ib6,Ib8とコモンモードフィードバック回路CMFBで構成される。   FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a folded cascode CMOS operational amplifier circuit as an example of a circuit that performs automatic design using the design system of FIG. FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a basic CMOS operational amplifier circuit as a circuit example different from FIG. 2 includes PMOS transistors M1, M1_2, M2 (_1, 2), M5 (_1, 2), M6 (_1 to 3), M8 (_1 to 3), NMOS transistors M3 (_1, 2), M4 (_1, 2), M7 (_1, 2), a phase compensation capacitor Cc, bias current sources (bias current) Ib1, Ib6, Ib8, and a common mode feedback circuit CMFB.

M2_1とM2_2は、ゲートに入力信号Vinが印加される差動入力段を構成し、そのソースに対してM1から共通にバイアス電流(テール電流)が供給される。M1のゲートは、M1_2とカレントミラーを構成することでバイアス電圧Vb1が印加され、このM1_2にIb1が接続される。M2_1とM2_2のドレイン出力は、電源電圧VDDから接地電圧GNDに向けて順に直列接続されたM6(_1,2),M5(_1,2),M4(_1,2),M3(_1,2)からなるフォールデッドカスコード段によって差動増幅される。M6(_1,2)の共通ゲートは、M6_3とカレントミラーを構成することでバイアス電圧Vb6が印加され、このM6_3にIb6が接続される。M5(_1,2)の共通ゲートとM4(_1,2)の共通ゲートは、図示しない回路によってそれぞれバイアス電圧Vb5とVb4が印加される。   M2_1 and M2_2 constitute a differential input stage in which the input signal Vin is applied to the gate, and a bias current (tail current) is commonly supplied from M1 to the source. A bias voltage Vb1 is applied to the gate of M1 by forming a current mirror with M1_2, and Ib1 is connected to M1_2. The drain outputs of M2_1 and M2_2 are M6 (_1, 2), M5 (_1, 2), M4 (_1, 2), M3 (_1, 2) connected in series in order from the power supply voltage VDD to the ground voltage GND. Differentially amplified by a folded cascode stage consisting of The common gate of M6 (_1, 2) forms a current mirror with M6_3, so that a bias voltage Vb6 is applied, and Ib6 is connected to M6_3. Bias voltages Vb5 and Vb4 are respectively applied to the common gate of M5 (_1,2) and the common gate of M4 (_1,2) by a circuit (not shown).

フォールデッドカスコード段によって差動増幅された信号は、M7_1及びそのバイアス電流(負荷電流)を供給するM8_1と、M7_2及びその負荷電流を供給するM8_2とからなる出力段によって更に増幅され、その結果が出力信号Voutとなる。M8(_1,2)の共通ゲートは、M8_3とカレントミラーを構成することでバイアス電圧Vb8が印加され、このM8_3にIb8が接続される。またCMFBは、出力信号VoutをモニタしながらM3(_1,2)の共通ゲートへのバイアス電圧Vb3を制御する。   The signal differentially amplified by the folded cascode stage is further amplified by an output stage composed of M8_1 that supplies M7_1 and its bias current (load current), and M8_2 that supplies M7_2 and its load current. It becomes the output signal Vout. A bias voltage Vb8 is applied to the common gate of M8 (_1, 2) by forming a current mirror with M8_3, and Ib8 is connected to M8_3. The CMFB controls the bias voltage Vb3 to the common gate of M3 (_1, 2) while monitoring the output signal Vout.

一方、図3の回路は、PMOSトランジスタM1,M1_2,M2(_1,2),M8(_1〜3)と、NMOSトランジスタM3(_1,2),M7(_1,2)と、位相補償容量Ccとバイアス電流源Ib1,Ib8とコモンモードフィードバック回路CMFBで構成される。この回路は、図2の回路からフォールデッドカスコード段を省略した構成となっている。すなわち、ゲートに入力信号Vinを受けたM2_1とM2_2のドレイン出力が、M3(_1,2)のバイアス電流(負荷電流)によって差動増幅され、この差動増幅された信号が前述した出力段で更に増幅されることで出力信号Voutが得られる。   On the other hand, the circuit of FIG. 3 includes PMOS transistors M1, M1_2, M2 (_1, 2), M8 (_1 to 3), NMOS transistors M3 (_1, 2), M7 (_1, 2), and a phase compensation capacitor Cc. And bias current sources Ib1 and Ib8 and a common mode feedback circuit CMFB. This circuit has a configuration in which the folded cascode stage is omitted from the circuit of FIG. That is, the drain outputs of M2_1 and M2_2 receiving the input signal Vin at the gate are differentially amplified by the bias current (load current) of M3 (_1, 2), and this differentially amplified signal is output from the output stage described above. Further output provides an output signal Vout.

このような2つの回路を例として、それぞれの回路における回路定数を図1の設計システムで自動設計する場合、まず、設計者が、回路図内の各回路素子に対し、次のようにして式(4)に示した制約式を作成する。図2の回路では、差動入力段と、フォールデッドカスコード段と、出力段における各MOSトランジスタのソース−ドレイン間電流Iは、それぞれキルヒホッフの電流則に従い式(6)、式(7)、式(8)の関係が成り立つ。   Taking these two circuits as an example, when the circuit constants in each circuit are automatically designed by the design system of FIG. 1, the designer first formulas each circuit element in the circuit diagram as follows: The constraint equation shown in (4) is created. In the circuit of FIG. 2, the source-drain current I of each MOS transistor in the differential input stage, the folded cascode stage, and the output stage is expressed by the equations (6), (7), and (5) according to Kirchoff's current law, respectively. The relationship (8) is established.

差動入力段:
=I2_1+I2_2
2_2=I2_1 (6)
フォールデッドカスコード段:
6_2=I6_1=I5_2=I5_1=I4_2=I4_1
3_2=I3_1=I2_1+I4_1 (7)
出力段:
8_2=I8_1=I7_2=I7_1 (8)
式(6)〜式(8)において、電流Iの添字はMOSトランジスタの添字に対応し、例えば電流I2_1はMOSトランジスタM2_1に対応する。また、図2において、MOSトランジスタMi_jの添字iの値が等しいものは回路構成の面から同一の回路定数を使用し、例えばM2_1とM2_2の回路定数は等しくなる。ここで、式(6)〜式(8)の関係に基づき、Iを基準にIの電流比(I/I)をkc、Iの電流比(I/I)をkcとおくと、各MOSトランジスタの制約式は、式(9)〜式(11)のように定められる。
Differential input stage:
I 1 = I 2_1 + I 2_2 ,
I 2_2 = I 2_1 (6)
Folded cascode stage:
I 6_2 = I 6_1 = I 5_2 = I 5_1 = I 4_2 = I 4_1,
I 3_2 = I 3_1 = I 2_1 + I 4_1 (7)
Output stage:
I 8_2 = I 8_1 = I 7_2 = I 7_1 (8)
In the formulas (6) to (8), the subscript of the current I corresponds to the subscript of the MOS transistor, for example, the current I 2_1 corresponds to the MOS transistor M 2_1 . Further, in FIG. 2, those values of index i of the MOS transistor M I_j are equal using the same circuit constant in terms of the circuit configuration, for example, circuit constants of M 2_1 and M 2_2 are equal. Here, Equation (6) based on the relationship to (8), the current ratio of I 6 relative to I 1 current ratio (I 6 / I 1) the kc 6, I 8 (I 8 / I 1) the putting and kc 8, constraints of the MOS transistors is determined by the equation (9) to (11).

差動入力段:
2_2/L2_2=W2_1/L2_1=(1/2)・kb・(W/L) (9)
フォールデッドカスコード段:
6_2/L6_2=W6_1/L6_1=kc・kb・(W/L),
5_2/L5_2=W5_1/L5_1=kc・kb・(W/L),
4_2/L4_2=W4_1/L4_1=kr’・kc・kb・(W/L),
3_2/L3_2=W3_1/L3_1=kr’・(1/2+kc)・kb・(W/L) (10)
出力段:
8_2/L8_2=W8_1/L8_1=kc・kb・(W/L),
7_2/L7_2=W7_1/L7_1=kr’・kc・kb・(W/L) (11)
式(9)〜式(11)において、kbは、M1のゲートバイアス電圧Vb1との間のバイアス電圧比であり、例えばkbは、Vb1/Vb6となる。また、kr’は、PMOSトランジスタM1との間のk’(式(3))の比率であるが、通常、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタの容量Cは等しく設計されるため、着目トランジスタがPMOSトランジスタの場合はkr’が‘1’となり、NMOSトランジスタの場合はkr’がμ/μとなる。
Differential input stage:
W 2_2 / L 2_2 = W 2_1 / L 2_1 = (1/2) · kb 2 · (W 1 / L 1) (9)
Folded cascode stage:
W 6_2 / L 6_2 = W 6_1 / L 6_1 = kc 6 · kb 6 · (W 1 / L 1),
W 5_2 / L 5_2 = W 5_1 / L 5_1 = kc 6 · kb 5 · (W 1 / L 1 ),
W 4_2 / L 4_2 = W 4_1 / L 4_1 = kr '· kc 6 · kb 4 · (W 1 / L 1),
W 3_2 / L 3_2 = W 3_1 / L 3_1 = kr '· (1/2 + kc 6) · kb 3 · (W 1 / L 1) (10)
Output stage:
W 8_2 / L 8_2 = W 8_1 / L 8_1 = kc 8 · kb 8 · (W 1 / L 1 ),
W 7_2 / L 7_2 = W 7_1 / L 7_1 = kr '· kc 8 · kb 7 · (W 1 / L 1) (11)
In the formula (9) to Formula (11), kb is M1 is a bias voltage ratio between the gate bias voltage Vb1, such kb 6 becomes Vb1 / Vb6. In addition, kr ′ is the ratio of k ′ (Equation (3)) between the PMOS transistor M1 and the capacitance CO of the PMOS transistor and the NMOS transistor are normally designed to be equal. In this case, kr ′ is “1”, and in the case of an NMOS transistor, kr ′ is μ P / μ N.

一方、図3の回路でも、図2の回路と同様にして、差動入力段と、出力段における各MOSトランジスタのソース−ドレイン間電流Iは、それぞれキルヒホッフの電流則に従い式(12)、式(13)の関係となる。   On the other hand, in the circuit of FIG. 3, as in the circuit of FIG. 2, the source-drain currents I of the MOS transistors in the differential input stage and the output stage are respectively expressed by the equations (12) and (12) according to Kirchoff's current law. (13)

差動入力段:
=I2_1+I2_2
3_2=I3_1=I2_2=I2_1 (12)
出力段:
8_2=I8_1=I7_2=I7_1 (13)
したがって、式(12)、式(13)の関係に基づき、各MOSトランジスタの制約式は、式(14)、式(15)のように定められる。
Differential input stage:
I 1 = I 2_1 + I 2_2 ,
I 3_2 = I 3_1 = I 2_2 = I 2_1 (12)
Output stage:
I 8_2 = I 8_1 = I 7_2 = I 7_1 (13)
Therefore, based on the relationship between Expression (12) and Expression (13), the constraint expression of each MOS transistor is determined as Expression (14) and Expression (15).

差動入力段:
2_2/L2_2=W2_1/L2_1=(1/2)・kb・(W/L),
3_2/L3_2=W3_1/L3_1=kr’・(1/2)・kb・(W/L) (14)
出力段:
8_2/L8_2=W8_1/L8_1=kc・kb・(W/L),
7_2/L7_2=W7_1/L7_1=kr’・kc・kb・(W/L) (15)
また、式(9)〜式(11)において、例えば、W=W2_2=W2_1,L=L2_2=L2_1といったように、MOSトランジスタMi_jのゲート幅をW、ゲート長をLとおくと、式(9)〜式(11)は式(16)となる。
=(1/2)・kb・(L/L)・W
=kr’・(1/2+kc)・kb・(L/L)・W
=kr’・kc・kb・(L/L)・W
=kc・kb・(L/L)・W
=kc・kb・(L/L)・W
=kr’・kc・kb・(L/L)・W
=kc・kb・(L/L)・W (16)
一方、これと同様にして、式(14),式(15)は式(17)となる。
=(1/2)・kb・(L/L)・W
=kr’・(1/2)・kb・(L/L)・W
=kr’・kc・kb・(L/L)・W
=kc・kb・(L/L)・W (17)
以上の制約式から判るように、各MOSトランジスタMiの回路定数(L,W)は、基準のMOSトランジスタM1の回路定数(L,W)と、M1のトランジスタ極性(P型又はN型)、ソース−ドレイン間電流、バイアス電圧を基準としてそれぞれMiの比率を表した各パラメータkr’,kc,kbとによって表現される。この際に、並列接続や直列接続といった回路トポロジーに基づいてキルヒホッフの電流則を適用することで、独立変数となるkcの数を削減している。
Differential input stage:
W 2_2 / L 2_2 = W 2_1 / L 2_1 = (1/2) · kb 2 · (W 1 / L 1),
W 3_2 / L 3_2 = W 3_1 / L 3_1 = kr '· (1/2) · kb 3 · (W 1 / L 1) (14)
Output stage:
W 8_2 / L 8_2 = W 8_1 / L 8_1 = kc 8 · kb 8 · (W 1 / L 1 ),
W 7_2 / L 7_2 = W 7_1 / L 7_1 = kr '· kc 8 · kb 7 · (W 1 / L 1) (15)
In Expressions (9) to (11), for example, the gate width of the MOS transistor M i_j is set to W i and the gate length is set to W 2 = W 2_2 = W 2_1 , L 2 = L 2_2 = L 2_1. putting a L i, the formula (9) to (11) becomes equation (16).
W 2 = (1/2) · kb 2 · (L 2 / L 1 ) · W 1 ,
W 3 = kr ′ · (1/2 + kc 6 ) · kb 3 · (L 3 / L 1 ) · W 1 ,
W 4 = kr ′ · kc 6 · kb 4 · (L 4 / L 1 ) · W 1 ,
W 5 = kc 6 · kb 5 · (L 5 / L 1 ) · W 1 ,
W 6 = kc 6 · kb 6 · (L 6 / L 1 ) · W 1 ,
W 7 = kr ′ · kc 8 · kb 7 · (L 7 / L 1 ) · W 1 ,
W 8 = kc 8 · kb 8 · (L 8 / L 1 ) · W 1 (16)
On the other hand, in the same manner, Expressions (14) and (15) become Expression (17).
W 2 = (1/2) · kb 2 · (L 2 / L 1 ) · W 1 ,
W 3 = kr ′ · (1/2) · kb 3 · (L 3 / L 1 ) · W 1 ,
W 7 = kr ′ · kc 8 · kb 7 · (L 7 / L 1 ) · W 1 ,
W 8 = kc 8 · kb 8 · (L 8 / L 1 ) · W 1 (17)
As can be seen from the above constraint equation, the circuit constants (L i , W i ) of each MOS transistor Mi are the circuit constants (L 1 , W 1 ) of the reference MOS transistor M1 and the transistor polarity (P-type or N-type), source-drain current, and bias voltage, and the respective parameters kr ′, kc i , kb i representing the ratio of Mi. At this time, the number of kc as an independent variable is reduced by applying Kirchhoff's current law based on a circuit topology such as parallel connection or series connection.

具体的には、例えば、差動入力段M2_1,M2_2では、それぞれM1の電流の1/2倍が流れるものとし、M4_1〜M6_1のような直列接続の場合は、それぞれM1の電流のkc倍が等しく流れるものとする。更に、分岐点がある並列接続の場合は、M3_1のように、M2_1に流れる電流(1/2に対応)とM5_1に流れる電流(kcに対応)の合算電流(1/2+kc)が流れるものとする。 Specifically, for example, in the differential input stages M2_1 and M2_2, ½ times the current of M1 flows, and in the case of series connection such as M4_1 to M6_1, each of the currents of M1 is kc 6 times. Shall flow equally. Further, in the case of a parallel connection with a branch point, a sum current (1/2 + kc 6 ) of a current flowing through M2_1 (corresponding to 1/2) and a current flowing through M5_1 (corresponding to kc 6 ) flows like M3_1. Shall.

このようにキルヒホッフの電流則を適用することで、例えば図2において、M1を基準にM2〜M8の電流比を表現した場合に通常であればkc〜kcの7個の独立変数が必要となるが、それをkcとkcの2個の独立変数に削減可能となる。また、バイアス電圧比に関しても、例えばM3_1,M3_2のように、ゲートが共通接続されるトランジスタに対して共通のバイアス電圧比を割り当てることで、独立変数の数を減らしている。図1に示した設計システムでは、このような独立変数を逐次変更しながら、例えば図4に示すような手順で回路定数の自動設計を行う。 By applying Kirchhoff's current law in this way, for example, in FIG. 2, when the current ratio of M2 to M8 is expressed based on M1, seven independent variables of kc 2 to kc 8 are usually required. However, it can be reduced to two independent variables kc 6 and kc 8 . As for the bias voltage ratio, the number of independent variables is reduced by assigning a common bias voltage ratio to the transistors whose gates are commonly connected, such as M3_1 and M3_2. In the design system shown in FIG. 1, the circuit constants are automatically designed in the procedure shown in FIG. 4, for example, while such independent variables are sequentially changed.

図4は、図1の設計システムを用いた自動設計の処理内容の一例を示すフロー図である。まず、S401において、設計者が、図2や図3で述べたような回路図およびその回路図に含まれる各MOSトランジスタ等の制約式を作成し、更に、この制約式および回路図内含まれる各独立変数の可変範囲を設定する。ここで、制約式の中には、図1の制約条件CSTに示すように、TR(MOSトランジスタ)の制約式に加えて、コンデンサCや抵抗Rの制約式が含まれていてもよい。例えば、MOSトランジスタを用いてコンデンサCを形成する場合や、拡散層などによって抵抗Rを形成する場合には、そのサイズ(回路定数)を独立変数として容量値や抵抗値を制約式として組み込むことが可能である。   FIG. 4 is a flowchart showing an example of processing contents of automatic design using the design system of FIG. First, in S401, the designer creates a circuit diagram as described in FIG. 2 and FIG. 3 and a constraint equation for each MOS transistor and the like included in the circuit diagram, and further includes the constraint equation and the circuit diagram. Set the variable range for each independent variable. Here, the constraint equation may include a constraint equation for the capacitor C and the resistor R in addition to the constraint equation for TR (MOS transistor), as indicated by the constraint condition CST in FIG. For example, when the capacitor C is formed using a MOS transistor, or when the resistor R is formed by a diffusion layer or the like, the size (circuit constant) is used as an independent variable, and a capacitance value or a resistance value is incorporated as a constraint equation. Is possible.

各独立変数の可変範囲としては、図2や図3の回路を例として、例えば次のような範囲に設定する。
(1)ゲート長:Lmin≦L,L,L,L,L,L,L,L≦Lmax
(2)ゲート幅:Wmin≦W≦Wmax
(3)電流比:0.1≦kc≦5、1≦kc≦10
(4)バイアス電圧比:0.1≦kb,kb,kb,kb,kb,kb,kb≦5〜10
(5)k’比:1/6≦kr’≦1/2
(6)バイアス電流:Imin≦Ib1,Ib6,Ib8≦Imax
(7)位相補償容量:CLmin≦Cc≦CLmax
Lmin,LmaxやWmin,Wmaxは、製造プロセスのリソグラフィ制限やレイアウトルールおよび回路面積の制限などによって定められる。電流比やバイアス電圧比は、経験的な要素や、試行錯誤によって定められる。Imin,Imaxは、消費電力の仕様などに基づいて定められる。CLminは、回路面積の制限やMOSトランジスタ(M7やM8)のドレイン容量などを考慮して定められる。CLmaxは、負荷容量CLやCLminの容量値などを考慮して定められる。
The variable range of each independent variable is set to the following range, for example, taking the circuits of FIGS. 2 and 3 as an example.
(1) Gate length: Lmin ≦ L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 5 , L 6 , L 7 , L 8 ≦ Lmax
(2) Gate width: Wmin ≦ W 1 ≦ Wmax
(3) Current ratio: 0.1 ≦ kc 6 ≦ 5, 1 ≦ kc 8 ≦ 10
(4) Bias voltage ratio: 0.1 ≦ kb 2 , kb 3 , kb 4 , kb 5 , kb 6 , kb 7 , kb 8 ≦ 5-10
(5) k ′ ratio: 1/6 ≦ kr ′ ≦ 1/2
(6) Bias current: Imin ≦ Ib1, Ib6, Ib8 ≦ Imax
(7) Phase compensation capacity: CLmin ≦ Cc ≦ CLmax
Lmin, Lmax and Wmin, Wmax are determined by lithography limitations of the manufacturing process, layout rules, circuit area limitations, and the like. The current ratio and the bias voltage ratio are determined by empirical factors and trial and error. Imin and Imax are determined based on power consumption specifications and the like. CLmin is determined in consideration of the limitation of the circuit area and the drain capacity of the MOS transistors (M7 and M8). CLmax is determined in consideration of the load capacitance CL, the capacitance value of CLmin, and the like.

次いで、S402において、図1の最適化制御部OPTが、S401で定めた制約式や各独立変数の可変範囲に基づいて、図2や図3に含まれる各回路素子に対して初期の回路定数を設定する。この際に、各MOSトランジスタに対しては、制約式内の各独立変数(kr’,kc,kb,W,L〜L)に前述した可変範囲内の初期値が代入され、これによって各MOSトランジスタ毎のLやWが算出される。 Next, in S402, the optimization control unit OPT in FIG. 1 sets initial circuit constants for each circuit element included in FIGS. 2 and 3 based on the constraint equation defined in S401 and the variable range of each independent variable. Set. At this time, for each MOS transistor, the initial value in the variable range described above is assigned to each independent variable (kr ′, kc, kb, W 1 , L 1 to L 8 ) in the constraint equation. Is used to calculate L and W for each MOS transistor.

続いて、S403において、最適化制御部OPTが、シミュレーション条件を設定する。シミュレーション条件の中には、入力信号条件や、プロセス条件(P)/電圧条件(V)/温度条件(T)/トランジスタの詳細モデル(Model)の組合せからなるコーナー条件CND等が含まれる。その後、OPTは、回路シミュレータSIMに対し、S402で回路定数が定められた回路図CITと、S403で定めたシミュレーション条件とを設定し、SIMを動作させる(S404)。   Subsequently, in S403, the optimization control unit OPT sets simulation conditions. The simulation conditions include an input signal condition, a corner condition CND composed of a combination of process condition (P) / voltage condition (V) / temperature condition (T) / detailed transistor model (Model). Thereafter, the OPT sets the circuit diagram CIT in which the circuit constants are determined in S402 and the simulation conditions defined in S403 for the circuit simulator SIM, and operates the SIM (S404).

SIMによるシミュレーション結果が得られると、OPTは、予め設計者によって設定されている評価項目に基づいて回路特性の算出を行う(S405)。評価項目の中には、例えばゲインやユニティゲイン周波数(UGF)や位相余裕などを代表に様々な項目が含まれる。例えば、ゲインは、SIMがSPICE系のものである場合、SIMの機能によって回路図CITの出力信号(図2,図3でのVout)を観測し、それと入力信号(図2,図3でのVin)との比を算出することで得られる。   When the simulation result by the SIM is obtained, the OPT calculates the circuit characteristics based on the evaluation items set in advance by the designer (S405). The evaluation items include various items such as gain, unity gain frequency (UGF), and phase margin as representatives. For example, when the SIM is a SPICE system, the gain is obtained by observing the output signal (Vout in FIGS. 2 and 3) of the circuit diagram CIT by the SIM function and the input signal (in FIGS. 2 and 3). It is obtained by calculating the ratio with (Vin).

更に、評価項目の中には、各MOSトランジスタが飽和領域で動作していることを確認する項目が含まれる。図2および図3に示したような回路は、各MOSトランジスタが飽和領域で動作することを前提としており、前述した各MOSトランジスタに対する制約式も飽和領域で動作することを前提に定めているため、回路シミュレーション結果の妥当性を確認するためには、この飽和条件の評価項目が必要となる。そこで、例えば、図1の設計仕様SPEC内で予め動作電源電圧等に対するドレイン−ソース間電圧マージンΔVDSやゲート−ソース間電圧マージンΔVGSを定める。そして、SIMの機能によって、各MOSトランジスタのゲート、ドレインおよびソース電圧を観測し、各MOSトランジスタが式(18)の条件を満たすか否かを確認する。なお、式(18)において、VDSATは、飽和ドレイン電圧(=|VGS−V|)である。
|VDS−VDSAT|≧ΔVDS
|VGS−V|≧ΔVGS (18)
最適化制御部OPTは、このようなS403〜S405の処理を、シミュレーション条件(コーナー条件)を逐次変更しながら行う。所定のシミュレーション条件での評価が終了すると、S406おいて、OPTは、S405での算出した回路特性の判定を行う。すなわち、当該回路に各コーナー条件を適用した場合において、前述したゲイン等の評価項目が予め定めたSPEC値を満足するか、および各MOSトランジスタが式(18)の飽和条件を満足するかが判定される。
Further, the evaluation item includes an item for confirming that each MOS transistor operates in the saturation region. The circuits as shown in FIGS. 2 and 3 are based on the premise that each MOS transistor operates in the saturation region, and the constraint equations for each MOS transistor described above are also premised on the assumption that they operate in the saturation region. In order to confirm the validity of the circuit simulation result, an evaluation item for this saturation condition is required. Therefore, for example, the drain-source voltage margin ΔV DS and the gate-source voltage margin ΔV GS for the operating power supply voltage and the like are determined in advance in the design specification SPEC of FIG. Then, the gate, drain and source voltages of each MOS transistor are observed by the SIM function, and it is confirmed whether or not each MOS transistor satisfies the condition of Expression (18). In Expression (18), V DSAT is a saturation drain voltage (= | V GS −V T |).
| V DS −V DSAT | ≧ ΔV DS ,
| V GS −V T | ≧ ΔV GS (18)
The optimization control unit OPT performs the processes of S403 to S405 while sequentially changing simulation conditions (corner conditions). When the evaluation under the predetermined simulation conditions is completed, in step S406, the OPT determines the circuit characteristics calculated in step S405. That is, when each corner condition is applied to the circuit, it is determined whether the evaluation items such as the gain described above satisfy a predetermined SPEC value and whether each MOS transistor satisfies the saturation condition of Expression (18). Is done.

ここで、S406での判定結果が全て満足していた場合は、S407において、S402で定めた各回路素子の回路定数が最終解として決定され、自動設計が完了する。一方、判定結果に不満足な評価項目が有った場合は、S402へ移行し、回路定数を変更した上で再びS403〜S405の処理が行われる。すなわち、予め定めた設計仕様SPECを満足する回路定数を見つけ出すまでS402〜S406のループ処理が行われる。このループ処理においては、例えば、公知の遺伝子アルゴリズムなどを用いて回路定数の変更を行うと、より短期間で解を見つけ出すことが可能となる。   If all the determination results in S406 are satisfied, the circuit constants of the circuit elements determined in S402 are determined as final solutions in S407, and the automatic design is completed. On the other hand, if there is an unsatisfactory evaluation item in the determination result, the process proceeds to S402, the circuit constant is changed, and the processes of S403 to S405 are performed again. That is, the loop processing of S402 to S406 is performed until a circuit constant that satisfies a predetermined design specification SPEC is found. In this loop processing, for example, if a circuit constant is changed using a known gene algorithm or the like, a solution can be found in a shorter period of time.

以上、前述したような制約式を用いて図4に示すような処理フローを実行することで例えば次のような効果を得ることが可能となる。   As described above, for example, the following effects can be obtained by executing the processing flow as shown in FIG.

第1に、短期間で回路定数の自動設計を行うことが可能となる。これは、前述したように制約式に対してキルヒホッフの法則を適用することで、図4のループ処理における回路定数の可変範囲を適正化できるためである。これを図5を用いて説明する。図5は、図1の設計システムにおいて、その効果の一例を概念的に示すための説明図である。まず、比較例1として前述したような制約式を用いない場合の回路定数の可変範囲は、図2の回路を例とすると、次のようになる。
(1)ゲート長:Lmin≦L,L,L,L,L,L,L,L≦Lmax
(2)ゲート幅:Wmin≦W,W,W,W,W,W,W,W≦Wmax
(3)バイアス電流:Imin≦Ib1,Ib6,Ib8≦Imax
(4)位相補償容量:CLmin≦Cc≦CLmax
ここで、一例として、WとWの関係に着目すると、比較例1では、図5のWmin〜WmaxからなるWに対して、WもWmin〜Wmaxの可変範囲で探索することになる。したがって、ループ処理による探索範囲は、図5のエリアW2_SAcに示すように正方形の全エリアとなる。また、図示はしないが、他のゲート幅W(i=3〜8)においても同様に、Wmin〜WmaxからなるWに対して、WもWmin〜Wmaxの可変範囲で探索することになる。
First, it is possible to automatically design circuit constants in a short period of time. This is because the variable range of the circuit constants in the loop processing of FIG. 4 can be optimized by applying Kirchhoff's law to the constraint expression as described above. This will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram for conceptually showing an example of the effect in the design system of FIG. First, the variable range of the circuit constant when the constraint equation as described above as Comparative Example 1 is not used is as follows when the circuit of FIG. 2 is taken as an example.
(1) Gate length: Lmin ≦ L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 5 , L 6 , L 7 , L 8 ≦ Lmax
(2) Gate width: Wmin ≦ W 1 , W 2 , W 3 , W 4 , W 5 , W 6 , W 7 , W 8 ≦ Wmax
(3) Bias current: Imin ≦ Ib1, Ib6, Ib8 ≦ Imax
(4) Phase compensation capacity: CLmin ≦ Cc ≦ CLmax
Here, as an example, focusing on the relationship between W 1 and W 2 , in Comparative Example 1, W 2 is also searched in a variable range of Wmin to Wmax with respect to W 1 consisting of Wmin to Wmax in FIG. Become. Therefore, the search range by the loop processing is the entire square area as indicated by the area W2_SAc in FIG. Although not shown, also in the other gate width W i (i = 3~8), with respect to W 1 consisting Wmin~Wmax, W i to be searched in the variable range of Wmin~Wmax Become.

一方、図1の設計システムでは、制約式によって、図5のWmin〜WmaxからなるWに対し、Wは、式(16)から判るように、電流比を反映したW/2を目安に可変範囲が設定される。したがって、ループ処理による探索範囲は、図5に示すように、W/2を基準にその前後でkb等による可変範囲を反映させたエリアW2_SAとなる。また、図示はしないが、他のゲート幅W(i=3〜8)においても同様に、Wに対して制約式に基づく特定の探索範囲が定められる。したがって、比較例1に比べて格段に探索範囲が狭まるため、短期間で回路定数の自動設計を行うことが可能となる。 On the other hand, a guide in the design system 1, the constraint equation, with respect to W 1 consisting Wmin~Wmax in FIG 5, W 2, as seen from equation (16), the W 1/2 that reflects the current ratio The variable range is set to. Therefore, the search range of the loop, as shown in FIG. 5, W 1/2 the area W2_SA that reflects the variable range according kb 2 etc. in the back and forth relative to the. Although not shown, a specific search range based on a constraint equation is similarly determined for W 1 in other gate widths W i (i = 3 to 8). Therefore, since the search range is significantly narrower than that in Comparative Example 1, it is possible to automatically design circuit constants in a short period of time.

第2に、容易に回路定数の自動設計を行うことが可能となる。これは、制約式を可能な限り単純化し、この制約式で保証されない事項を回路シミュレータによって保証しているためである。すなわち、比較例2として前述したような幾何学的最適化プログラミング(GP)手法では、言うなれば制約式のみで回路定数を決定しているため、制約式自体が、例えばプロセス(P)/電源電圧(V)/温度(T)依存やチャネル長変調効果や基板バイアス効果等を盛り込んだ厳密なものでなければならない。   Second, automatic design of circuit constants can be easily performed. This is because the constraint equation is simplified as much as possible, and matters not guaranteed by the constraint equation are guaranteed by the circuit simulator. That is, in the geometric optimization programming (GP) method as described above as the comparative example 2, the circuit constant is determined only by the constraint equation, so the constraint equation itself is, for example, the process (P) / power source. It must be strict including voltage (V) / temperature (T) dependence, channel length modulation effect, substrate bias effect, and the like.

一方、図1の設計システムでは、制約式は回路定数の探索範囲を狭める役目を担い、その範囲内で、回路シミュレータが、P/V/T依存やチャネル長変調効果や基板バイアス効果等を盛り込んで厳密な最適解を算出することになる。したがって、制約式は、厳密なものである必要はなく、妥当な探索範囲を設定できるものであればよい。この意味で、チャネル長変調効果や基板バイアス効果等の影響は小さいと考えられ、これらの項を省略しても妥当な探索範囲を設定可能である。これによって、制約式が簡略化され、設計の容易性などが向上する。また、制約式がP/V/T依存によって変化するものであったならば、コーナー条件毎に制約式を変えなければならず、容易な設計が行えなくなる。この意味で、式(4)の制約式は、キルヒホッフの法則がP/V/T依存性を持たない不変的ものであるため、各種条件に依らず共通に適用可能である。   On the other hand, in the design system of FIG. 1, the constraint equation plays a role of narrowing the search range of circuit constants, and within that range, the circuit simulator incorporates P / V / T dependence, channel length modulation effect, substrate bias effect, and the like. Thus, a strict optimum solution is calculated. Therefore, the constraint expression does not need to be strict and may be any expression that can set an appropriate search range. In this sense, the influence of the channel length modulation effect and the substrate bias effect is considered to be small, and an appropriate search range can be set even if these terms are omitted. This simplifies the constraint equation and improves the ease of design. If the constraint equation changes depending on the P / V / T dependency, the constraint equation must be changed for each corner condition, and an easy design cannot be performed. In this sense, the constraint equation of Equation (4) is invariant because Kirchhoff's law does not have P / V / T dependency, and can be commonly applied regardless of various conditions.

第3に、バイアス電流Ibを独立変数としてループ処理を行うことで、より設計の効率化が図れることが挙げられる。すなわち、回路シミュレーションに基づく一般的な設計手法では、まず、バイアス電流を設定して、そのバイアス電流において設計仕様を満たす回路定数を見つけ出すという手順が採られる。これは、バイアス電流を固定することである基準を設けないことには回路定数の設計が行い難いという人為的な都合によるところが大きい。しかしながら、この手法では、あるバイアス電流で回路定数を見出せない場合に、バイアス電流を変えた後で再度始めから全ての回路定数の探索をやり直すことになる。   Thirdly, it is possible to improve design efficiency by performing loop processing with the bias current Ib as an independent variable. That is, in a general design method based on circuit simulation, first, a procedure is adopted in which a bias current is set, and circuit constants that satisfy the design specifications at the bias current are found. This is largely due to artificial reasons that it is difficult to design circuit constants without providing a reference for fixing the bias current. However, in this method, when a circuit constant cannot be found with a certain bias current, all circuit constants are searched again from the beginning after changing the bias current.

そこで、図4の処理フローでは、バイアス電流Ibと回路定数をそれぞれ独立変数として、前述した手順(時系列的概念)に捕らわれずに変動させている。つまり、例えば、回路定数を見出せなかった場合に、その回路定数を固定した状態で設計仕様を満たすバイアス電流を探索していく処理や、遺伝子アルゴリズムを用いてバイアス電流と回路定数を同時に探索する処理などを行う。これによって、より効率的な設計を行うことができ、短期間で最適解を見つけ出せる可能性も高くなる。なお、バイアス電流を独立変数としてループ処理を行うと、その分を探索範囲が広くなるが、これは、図5で述べたように、制約式によって抜本的に探索範囲を小さくすることで現実的な実現性が確保される。   Therefore, in the processing flow of FIG. 4, the bias current Ib and the circuit constant are each changed as independent variables without being caught by the above-described procedure (time-series concept). In other words, for example, when a circuit constant cannot be found, a process for searching for a bias current that satisfies the design specifications with the circuit constant fixed, or a process for searching for the bias current and the circuit constant simultaneously using a genetic algorithm And so on. As a result, a more efficient design can be performed, and the possibility that an optimal solution can be found in a short period of time increases. When the loop process is performed with the bias current as an independent variable, the search range is widened accordingly, but this is realistic by drastically reducing the search range by the constraint equation as described in FIG. Realizability is ensured.

次に、図1の設計システムおよび図4の処理フローを用いて実際に回路定数の設計を行った実施例について説明する。ここでは、図2および図3の各回路に対し、0.15μmのCMOSプロセスを用いることを想定し、電源電圧VDDの仕様が1.5Vの場合の回路定数と3.3Vの場合の回路定数を設計した。   Next, an embodiment in which circuit constants are actually designed using the design system of FIG. 1 and the processing flow of FIG. 4 will be described. Here, it is assumed that a 0.15 μm CMOS process is used for each of the circuits in FIGS. 2 and 3, and the circuit constant when the power supply voltage VDD is 1.5 V and the circuit constant when 3.3 V are used. Designed.

図6は、図1の設計システムで用いた設計仕様の一例を示す説明図である。図6に示すように、本実施例では、設計仕様SPECとして、ゲイン(A0)、ユニティゲイン周波数(ft)、位相余裕(PM)、電源電流、飽和条件(式(18)参照)、および負荷容量Cといった回路特性評価項目を設定した。ここで、飽和条件は、各電源電圧仕様(1.5V,3.3V)で個別に設定し、それ以外の評価項目は、各電源電圧仕様で共通に設定している。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of design specifications used in the design system of FIG. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the design specification SPEC includes gain (A0), unity gain frequency (ft), phase margin (PM), power supply current, saturation condition (see equation (18)), and load. It was set circuit characteristic evaluation items such as capacitance C L. Here, the saturation condition is individually set for each power supply voltage specification (1.5 V, 3.3 V), and the other evaluation items are commonly set for each power supply voltage specification.

そして、図1の設計システムと図4の処理フローを用いて、このような設計仕様SPECを満たす回路定数を探索した。この際に、MOSトランジスタの制約式や回路素子における各独立変数の可変範囲は、図4の説明で一例として挙げた範囲を設定している。なお、MOSトランジスタの制約式は、前述したようにP/V/T条件に依存しないため、1.5V仕様および3.3V仕様で共通に使用可能である。   Then, using the design system of FIG. 1 and the processing flow of FIG. 4, a circuit constant that satisfies such a design specification SPEC was searched. In this case, the variable range of each independent variable in the constraint equation of the MOS transistor and the circuit element is set as an example in the description of FIG. Since the constraint equation of the MOS transistor does not depend on the P / V / T condition as described above, it can be commonly used in the 1.5V specification and the 3.3V specification.

また、図1のコーナー条件CNDは、MOSトランジスタのモデル条件の5種類、容量および抵抗からなるCR遅延条件の2種類(遅延大,遅延小)、温度条件の2種類(高温,低温)、電源電圧条件の2種類(高電圧,低電圧)からなる組合せ条件に、全て条件がティピカルな場合を加えて計41種類を設定した。MOSトランジスタのモデルの5種類は、「PMOSトランジスタ,NMOSトランジスタ」がプロセスばらつきに応じてそれぞれスロー(S)又はファースト(F)になることを示す、「SS」条件、「SF」条件、「FS」条件、「FF」条件と、両方がティピカルになることを示す、「Typ」条件である。   The corner condition CND of FIG. 1 includes five types of MOS transistor model conditions, two types of CR delay conditions (large delay and small delay) consisting of capacitance and resistance, two types of temperature conditions (high temperature and low temperature), power supply A total of 41 types were set by adding the cases where the conditions were typical to the combination conditions consisting of two types of voltage conditions (high voltage and low voltage). The five types of MOS transistor models are “SMOS”, “SF”, “FS”, which indicate that “PMOS transistor, NMOS transistor” becomes slow (S) or fast (F) depending on process variations, respectively. ”Condition,“ FF ”condition, and“ Typ ”condition indicating that both become typical.

このようなコーナー条件CND全てにおいて、前述した設計仕様SPECを満たす解を図1の設計システムで探索したところ、図7〜図10に示すような結果が得られた。図7は、図2および図3の回路における3.3V仕様での回路特性評価結果を示すものであり、図8は、同様に1.5V仕様での回路特性評価結果を示すものである。図9は、図7に対応した各回路素子の回路定数探索結果を示すものであり、図10は、図8に対応した各回路素子の回路定数探索結果を示すものである。   When searching for a solution satisfying the above-mentioned design specification SPEC with the design system of FIG. 1 under all such corner conditions CND, results as shown in FIGS. 7 to 10 were obtained. FIG. 7 shows the circuit characteristic evaluation result in the 3.3V specification in the circuits of FIG. 2 and FIG. 3, and FIG. 8 shows the circuit characteristic evaluation result in the 1.5V specification similarly. FIG. 9 shows a circuit constant search result of each circuit element corresponding to FIG. 7, and FIG. 10 shows a circuit constant search result of each circuit element corresponding to FIG.

図7および図8に示すように、図2のフォールデッドカスコード型CMOSオペアンプ回路(Cascode)および図3の基本的なCMOSオペアンプ回路(Basic)の3.3V仕様と1.5V仕様において、それぞれ図6の設計仕様SPECを満足する最適解が得られた。そして、この最適解は、図1の設計システムによる演算処理によって1日を要することがなく得ることができた。一方、図4および図5で説明した比較例1として、MOSトランジスタの制約式を用いずに各MOSトランジスタのゲート長Lやゲート幅Wをそれぞれ独立変数として探索する手法では、10日かかっても最適解が得られないという結果となった。   As shown in FIGS. 7 and 8, the folded cascode CMOS operational amplifier circuit (Cascode) in FIG. 2 and the basic CMOS operational amplifier circuit (Basic) in FIG. The optimum solution satisfying the design specification SPEC of 6 was obtained. This optimum solution could be obtained without requiring one day by the arithmetic processing by the design system of FIG. On the other hand, as a comparative example 1 described with reference to FIGS. 4 and 5, the method of searching for the gate length L and the gate width W of each MOS transistor as an independent variable without using the constraint equation of the MOS transistor takes 10 days. The result was that the optimal solution could not be obtained.

また、図9および図10に示すように、図2の回路と図3の回路の回路定数をそれぞれ観察すると妥当な結果が得られていることが判る。例えば、熟練した設計者は、高いゲインを得るために差動入力段のMOSトランジスタM2,M3のゲート長L,Lをさほど小さく設計しない場合が多い。その逆に、高いスルーレートを得るために、出力段のMOSトランジスタM7,M8のゲート長L,Lを小さく設計し、ゲート幅W,Wを大きく設計する場合が多い。図9および図10に示した結果には、このような傾向が見られる。 Further, as shown in FIGS. 9 and 10, it can be seen that reasonable results are obtained by observing the circuit constants of the circuit of FIG. 2 and the circuit of FIG. For example, a skilled designer often does not design the gate lengths L 2 and L 3 of the differential input stage MOS transistors M 2 and M 3 so small in order to obtain a high gain. Conversely, in order to obtain a high slew rate, the gate lengths L 7 and L 8 of the MOS transistors M 7 and M 8 in the output stage are often designed to be small and the gate widths W 7 and W 8 are designed to be large. Such a tendency is seen in the results shown in FIG. 9 and FIG.

以上、本実施の形態1の設計システムおよび設計方法を用いることで、アナログ回路を含んだ半導体装置の回路定数設計を短期間で実現可能となる。また、アナログ回路を含んだ半導体装置の回路定数設計を容易に実現可能となる。   As described above, by using the design system and the design method of the first embodiment, circuit constant design of a semiconductor device including an analog circuit can be realized in a short period of time. In addition, circuit constant design of a semiconductor device including an analog circuit can be easily realized.

なお、ここでは、図1の回路シミュレータ部SIMとして広く知られているSPICE系のシミュレータを用いる場合を例としたが、このようなシミュレータに限定されるものではない。例えば、小信号等価回路に基づいて回路特性および回路定数を探索するようなシミュレータでは、小信号等価回路内の各MOSトランジスタの相互コンダクタンスgmをそれぞれ独立変数として扱い、最適解を探索するような処理が行われる。そこで、ゲート長Lやゲート幅Wの関数であるgmに対して前述したような制約式を反映させると、それぞれ無関係な独立変数であったgmにキルヒホッフの法則に基づく関連性を持たせることができるため、探索範囲を低減可能となる。   In addition, although the case where the SPICE system simulator widely known as the circuit simulator part SIM of FIG. 1 is used is taken as an example here, the simulator is not limited to such a simulator. For example, in a simulator that searches for circuit characteristics and circuit constants based on a small signal equivalent circuit, the mutual conductance gm of each MOS transistor in the small signal equivalent circuit is treated as an independent variable to search for an optimal solution. Is done. Therefore, if the above-described constraint equation is reflected on gm which is a function of the gate length L and the gate width W, it is possible to give the relevance based on Kirchhoff's law to each independent gm. Therefore, the search range can be reduced.

(実施の形態2)
前述した実施の形態1では、MOSトランジスタからなる回路に対して制約式を用いる例を説明したが、前述したキルヒホッフの法則に基づく制約式の基本概念は、MOSトランジスタに限らずバイポーラトランジスタ等にも適用可能である。そこで、本実施の形態2では、バイポーラトランジスタの制約式を作成する場合の概要について説明する。
(Embodiment 2)
In the first embodiment described above, an example in which a constraint equation is used for a circuit composed of MOS transistors has been described. However, the basic concept of the constraint equation based on Kirchhoff's law described above is not limited to a MOS transistor but also to a bipolar transistor or the like. Applicable. Therefore, in the second embodiment, an outline of creating a constraint equation for a bipolar transistor will be described.

図11は、本発明の実施の形態2による半導体装置の設計システムにおいて、バイポーラトランジスタの制約式について説明するための回路図である。図11では、増幅回路などの一部として、差動入力段となるバイポーラトランジスタQ2_1,Q2_2と、そのテール電流を供給するバイポーラトランジスタQ1と、Q1のバイアス電流を設定するバイポーラトランジスタQ1_2およびバイアス電流源Ibとが示されている。   FIG. 11 is a circuit diagram for illustrating a constraint equation of a bipolar transistor in the semiconductor device design system according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 11, as a part of the amplifier circuit or the like, bipolar transistors Q2_1 and Q2_2 serving as a differential input stage, a bipolar transistor Q1 for supplying a tail current thereof, a bipolar transistor Q1_2 for setting a bias current of Q1, and a bias current source Ib is shown.

制約式を作成する上で、実施の形態1に示したMOSトランジスタからなる回路と異なるのは、MOSトランジスタのゲートには電流が流れないと仮定できるのに対して、バイポーラトランジスタのベースには若干電流が流れることである。したがって、キルヒホッフの法則に基づく電流比の関係に注意が必要となる。そこで、バイポーラランジスタでは、制約式内の独立変数として例えば直流電流増幅率hFEなどを取り入れるとよい。そうすると、バイポーラトランジスタのベース電流Iに対して、エミッタ電流Iおよびコレクタ電流Iは、式(18)で与えられる。
=hFE・I
=(hFE+1)・I (18)
ここで、図11において、Q2_1,Q2_2のエミッタ電流をそれぞれIE21,IE22とし、Q1のコレクタ電流をIC1とおくと式(19)の関係が成り立つ。
C1=IE21+IE22
E21=IE22 (19)
また、Q2_1,Q2_2のエミッタ電流IE21,IE22を、式(18)よりIB21,IB22を用いて式(20)で表せる。
E21=(hFE2+1)・IB21
E22=(hFE2+1)・IB22 (20)
ここで、Q2_1,Q2_2のIB21,IB22とIB1との電流比をそれぞれkc21(=IB21/IB1),kc22(=IB22/IB1)と定義すると、式(20)は式(21)となる。
E21=(hFE2+1)・kc21・IB1
E22=(hFE2+1)・kc22・IB1 (21)
したがって、図1の設計システムは、IB1に対して、独立変数となるhFE2やkc21,kc22の可変範囲に応じてIB21,IB22を定め、これに伴いQ1やQ2_1,Q2_2の各回路定数を設定する処理を行う。そして、この回路定数を設定した回路に対して回路シミュレーションを実行し、その結果が設計仕様を満たさない場合には独立変数を変えながら再度回路シミュレーションを実行するというループ処理を繰り返すことで最終的な回路定数を探索する。
In creating the constraint equation, the difference from the circuit composed of the MOS transistor shown in the first embodiment is that it can be assumed that no current flows through the gate of the MOS transistor, whereas the base of the bipolar transistor is slightly different. Current is flowing. Therefore, it is necessary to pay attention to the relationship of the current ratio based on Kirchhoff's law. Therefore, in the bipolar transistor, for example, a direct current amplification factor hFE or the like may be introduced as an independent variable in the constraint equation. Then, the emitter current I E and the collector current I C are given by the equation (18) with respect to the base current I B of the bipolar transistor.
I C = h FE · I B ,
I E = (h FE +1) · I B (18)
In FIG. 11, when the emitter currents of Q2_1 and Q2_2 are I E21 and I E22 , respectively, and the collector current of Q1 is I C1 , the relationship of Expression (19) is established.
I C1 = I E21 + I E22 ,
I E21 = I E22 (19)
Further, the emitter currents I E21 and I E22 of Q2_1 and Q2_2 can be expressed by Expression (20) using I B21 and I B22 from Expression (18).
I E21 = (h FE2 +1) · I B21 ,
I E22 = (h FE2 +1) · I B22 (20)
Here, if the current ratios of I B21 , I B22 and I B1 of Q2_1 and Q2_2 are defined as kc 21 (= I B21 / I B1 ) and kc 22 (= I B22 / I B1 ), respectively, Equation (20) Becomes Equation (21).
I E21 = (h FE2 +1) · kc 21 · I B1 ,
I E22 = (h FE2 +1) · kc 22 · I B1 (21)
Therefore, the design system of FIG. 1 determines I B21 and I B22 according to the variable ranges of h FE2 and kc 21 and kc 22 which are independent variables with respect to I B1 , and accordingly, Q1 and Q2_1 and Q2_2. Processing to set each circuit constant is performed. Then, the circuit simulation is executed for the circuit in which the circuit constant is set, and if the result does not satisfy the design specification, the final loop processing is executed by repeating the circuit simulation while changing the independent variable. Search for circuit constants.

なお、kc21,kc22は、式(19)よりそれぞれ1/2となるため、Q2_1,Q2_2のIE21,IE22に対するIE1を基準とした制約式は式(22)となる。したがって、Q2_1,Q2_2においては、IB1を基準としてhFE1,hFE2を変動させることで、回路定数が設定されることになる。
E21=IE22=(1/2)・(hFE2+1)・IB21 (22)
B21/IB1=kc21を式(22)に代入し、式(23)を得る。
E21=IE22=(1/2)・(hFE2+1)・kc21・IB1 (23)
以上、本実施の形態2の設計システムを用いることで、実施の形態1と同様に、アナログ回路を含んだ半導体装置の回路定数設計を短期間で実現可能となる。また、アナログ回路を含んだ半導体装置の回路定数設計を容易に実現可能となる。
Since kc 21 and kc 22 are halved from the equation (19), respectively, a constraint equation based on I E1 with respect to I E21 and I E22 of Q2_1 and Q2_2 is the equation (22). Therefore, Q2_1, in Q2_2, by varying the h FE1, h FE2 reference to the I B1, so that the circuit constant is set.
I E21 = I E22 = (1/2) · (h FE2 +1) · I B21 (22)
Substituting I B21 / I B1 = kc 21 into equation (22), equation (23) is obtained.
I E21 = I E22 = (1/2) · (h FE2 +1) · kc 21 · I B1 (23)
As described above, by using the design system of the second embodiment, the circuit constant design of the semiconductor device including the analog circuit can be realized in a short period of time as in the first embodiment. In addition, circuit constant design of a semiconductor device including an analog circuit can be easily realized.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、実施の形態1ではMOSトランジスタに対する具体的な制約式を示したが、勿論、MOSトランジスタに限らずMIS(Metal Insulator Semiconductor)型のトランジスタであれば同様な制約式を適用可能である。また、設計対象となる回路も、勿論オペアンプ回路に限らず、例えば電源系の回路や、ADC(Analog Digital Converter)回路といった様々なアナログ回路であってよい。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. For example, in the first embodiment, a specific constraint equation for the MOS transistor is shown, but it goes without saying that the same constraint equation is applicable to any transistor of the MIS (Metal Insulator Semiconductor) type without being limited to the MOS transistor. Of course, the circuit to be designed is not limited to the operational amplifier circuit, and may be various analog circuits such as a power supply circuit and an ADC (Analog Digital Converter) circuit.

本発明による半導体装置の設計システムは、特に、MOSトランジスタからなるアナログ回路を含んだ半導体装置に対して、回路シミュレーションを利用して回路定数の設計を行う設計システムおよび設計方法に適用して有益な技術であり、これに限らず、半導体装置の設計システム全般に対して広く適用可能である。   The semiconductor device design system according to the present invention is particularly useful when applied to a design system and a design method for designing circuit constants using circuit simulation for a semiconductor device including an analog circuit formed of MOS transistors. The technology is not limited to this, and can be widely applied to all semiconductor device design systems.

本発明の実施の形態1による半導体装置の設計システムにおいて、その構成の一例を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a semiconductor device design system according to a first embodiment of the present invention. 図1の設計システムを用いて自動設計を行う回路例として、フォールデッドカスコード型CMOSオペアンプ回路の一例を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of a folded cascode CMOS operational amplifier circuit as an example of a circuit that performs automatic design using the design system of FIG. 1. 図2と異なる回路例として、基本的なCMOSオペアンプ回路の一例を示す回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a basic CMOS operational amplifier circuit as a circuit example different from FIG. 2. 図1の設計システムを用いた自動設計の処理内容の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the processing content of the automatic design using the design system of FIG. 図1の設計システムにおいて、その効果の一例を概念的に示すための説明図である。In the design system of FIG. 1, it is explanatory drawing for showing an example of the effect notionally. 図1の設計システムで用いた設計仕様の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of the design specification used with the design system of FIG. 図1の設計システムで自動設計を行った結果の一例を示すものであり、図2および図3の回路における3.3V仕様での回路特性評価結果を示す説明図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a result of automatic design performed by the design system of FIG. 1, and is an explanatory diagram illustrating a circuit characteristic evaluation result with 3.3 V specifications in the circuits of FIGS. 2 and 3. 図1の設計システムで自動設計を行った結果の一例を示すものであり、図2および図3の回路における1.5V仕様での回路特性評価結果を示す説明図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a result of automatic design performed by the design system of FIG. 1, and is an explanatory diagram illustrating a result of circuit characteristic evaluation with 1.5 V specifications in the circuits of FIGS. 図7に対応した各回路素子の回路定数探索結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the circuit constant search result of each circuit element corresponding to FIG. 図8に対応した各回路素子の回路定数探索結果を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the circuit constant search result of each circuit element corresponding to FIG. 本発明の実施の形態2による半導体装置の設計システムにおいて、バイポーラトランジスタの制約式について説明するための回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram for explaining a constraint equation of a bipolar transistor in a semiconductor device design system according to a second embodiment of the present invention. 本発明の前提として検討したアナログ回路の設計手順の一例を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example of the design procedure of the analog circuit examined as a premise of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

CND コーナー条件
SYS 設計システム
SCTL シミュレータ制御部
OPT 最適化制御部
SPEC 設計仕様
LP ループ制御部
CST 制約条件
ICTL 入力制御部
SIM 回路シミュレータ部
CIT 回路図
OCTL 出力制御部
JGE 判定処理部
M MOSトランジスタ
Ib バイアス電流源
CL 負荷容量
Cc 位相補償容量
CMFB コモンモードフィードバック回路
Q バイポーラトランジスタ
CND corner condition SYS design system SCTL simulator control unit OPT optimization control unit SPEC design specification LP loop control unit CST constraint condition ICTL input control unit SIM circuit simulator unit CIT circuit diagram OCTL output control unit JGE judgment processing unit M MOS transistor Ib Bias current Source CL Load capacitance Cc Phase compensation capacitance CMFB Common mode feedback circuit Q Bipolar transistor

Claims (11)

コンピュータシステムを用いた半導体装置の設計システムであって、
前記コンピュータシステムは、
回路図内に含まれる複数のトランジスタのそれぞれの回路定数を、複数のパラメータを含んだ制約式に基づいて算出する第1機能と、
前記第1機能で算出された回路定数が反映された状態の前記回路図に対して電気的特性の算出を行う第2機能と、
前記第2機能での電気的特性の算出結果が予め定められた設計仕様を満たすようになるまで、前記複数のパラメータへの代入値を変更しながら前記第1機能と前記第2機能での処理をループさせる第3機能とを備え、
前記複数のパラメータには、前記複数のトランジスタの一つとなる基準トランジスタを比較対象とした電流比を表す第1パラメータが含まれ、
前記第1パラメータには、前記複数のトランジスタ間の接続関係に基づくキルヒホッフの電流則が反映されていることを特徴とする半導体装置の設計システム。
A semiconductor device design system using a computer system,
The computer system includes:
A first function for calculating circuit constants of a plurality of transistors included in a circuit diagram based on a constraint equation including a plurality of parameters;
A second function for calculating electrical characteristics with respect to the circuit diagram in a state in which the circuit constants calculated by the first function are reflected;
Processing in the first function and the second function while changing the substitution values for the plurality of parameters until the calculation result of the electrical characteristics in the second function satisfies a predetermined design specification. With a third function to loop
The plurality of parameters include a first parameter representing a current ratio with a reference transistor that is one of the plurality of transistors as a comparison target,
The semiconductor device design system, wherein the first parameter reflects Kirchhoff's current law based on a connection relationship between the plurality of transistors.
請求項1記載の半導体装置の設計システムにおいて、
前記複数のトランジスタは、MOSトランジスタであり、
i番目のMOSトランジスタ(Mi)の回路定数となるゲート幅W/ゲート長Lを算出する前記制約式は、
/L=kr’・kc・kb・(W/L
であり、
kr’は、前記基準トランジスタとなるMOSトランジスタ(M1)と前記MOSトランジスタ(Mi)の間でP型又はN型からなる導電型の違いを表すパラメータであり、
kbは、前記MOSトランジスタ(M1)と前記MOSトランジスタ(Mi)の間でゲートバイアス電圧の比を表すパラメータであり、
kcは、前記MOSトランジスタ(M1)と前記MOSトランジスタ(Mi)の間でソース−ドレイン間電流の比を表す前記第1パラメータであり、
/Lは、前記MOSトランジスタ(M1)の回路定数となるゲート幅/ゲート長を表すパラメータであることを特徴とする半導体装置の設計システム。
The semiconductor device design system according to claim 1,
The plurality of transistors are MOS transistors;
The constraint equation for calculating the gate width W i / gate length L i as the circuit constant of the i-th MOS transistor (Mi) is:
W i / L i = kr ′ · kc i · kb i · (W 1 / L 1 )
And
kr ′ is a parameter representing a difference in conductivity type of P-type or N-type between the MOS transistor (M1) serving as the reference transistor and the MOS transistor (Mi),
kb i is a parameter representing the ratio of the gate bias voltage between the MOS transistor (M1) and the MOS transistor (Mi),
kc i is the first parameter representing the ratio of the source-drain current between the MOS transistor (M1) and the MOS transistor (Mi),
W 1 / L 1 is a parameter representing a gate width / a gate length that is a circuit constant of the MOS transistor (M 1).
請求項2記載の半導体装置の設計システムにおいて、
j番目のMOSトランジスタ(Mj)に対して前記第1パラメータとなるkcが設定され、k番目のMOSトランジスタ(Mk)に対して前記第1パラメータとなるkcが設定された場合、
前記MOSトランジスタ(Mi)が前記MOSトランジスタ(Mj)と直列接続されている時にはkc=kcとし、
前記MOSトランジスタ(Mi)から分岐して前記MOSトランジスタ(Mj)と前記MOSトランジスタ(Mk)が接続されている時にはkc=kc+kcとすることを特徴とする半導体装置の設計システム。
The semiconductor device design system according to claim 2,
If kc j to be the first parameter for the j-th MOS transistor (Mj) is set, kc k to be the first parameter for the k-th MOS transistor (Mk) is set,
When the MOS transistor (Mi) is connected in series with the MOS transistor (Mj), kc i = kc j ,
A design system for a semiconductor device, characterized in that kc i = kc j + kc k when branching from the MOS transistor (Mi) and the MOS transistor (Mj) and the MOS transistor (Mk) are connected.
請求項2記載の半導体装置の設計システムにおいて、
前記第3機能での設計仕様には、前記複数のトランジスタとなるMOSトランジスタが全て飽和領域で動作していることを確認する項目が含まれていることを特徴とする半導体装置の設計システム。
The semiconductor device design system according to claim 2,
The design specification for the third function includes an item for confirming that all the MOS transistors serving as the plurality of transistors operate in a saturation region.
請求項1記載の半導体装置の設計システムにおいて、
前記回路図は、CMOSオペアンプ回路含むことを特徴とする半導体装置の設計システム。
The semiconductor device design system according to claim 1,
The circuit diagram includes a CMOS operational amplifier circuit, and a semiconductor device design system.
請求項1記載の半導体装置の設計システムにおいて、
前記回路図は、増幅回路および前記増幅回路のバイアスを設定する電流源または電圧源を含み、
前記第1機能は、前記回路定数の算出に加えて、前記電流源または前記電圧源の値を選択し、
前記第2機能は、前記第1機能での前記回路定数および前記電流源または前記電圧源の値が反映された状態の前記回路図に対して電気的特性の算出を行い、
前記第3機能は、前記第2機能での電気的特性の算出結果が前記設計仕様を満たさない場合に、前記電流源または前記電圧源の値を変更しながら前記第1機能と前記第2機能での処理をループさせることを特徴とする半導体装置の設計システム。
The semiconductor device design system according to claim 1,
The circuit diagram includes an amplifier circuit and a current source or a voltage source for setting a bias of the amplifier circuit,
In addition to calculating the circuit constant, the first function selects a value of the current source or the voltage source,
The second function calculates an electrical characteristic with respect to the circuit diagram in a state where the circuit constant and the value of the current source or the voltage source in the first function are reflected,
The third function includes the first function and the second function while changing a value of the current source or the voltage source when a calculation result of electrical characteristics in the second function does not satisfy the design specification. A semiconductor device design system characterized by looping the processing in the semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置の設計システムにおいて、
さらに、前記回路図に対して電源電圧条件や温度条件を含んだ各種条件の組合せとなるコーナー条件を設定し、このコーナー条件が設定された回路図を対象に前記第2機能で電気的特性の算出を行わせる第4機能を備えることを特徴とする半導体装置の設計システム。
The semiconductor device design system according to claim 1,
Furthermore, a corner condition that is a combination of various conditions including a power supply voltage condition and a temperature condition is set for the circuit diagram, and the electrical characteristics of the circuit diagram in which the corner condition is set are set in the second function. A semiconductor device design system comprising a fourth function for performing calculation.
請求項7記載の半導体装置の設計システムにおいて、
前記第2機能は、SPICE系の回路シミュレータで実現されることを特徴とする半導体装置の設計システム。
The semiconductor device design system according to claim 7,
The semiconductor device design system, wherein the second function is realized by a SPICE circuit simulator.
複数のトランジスタを含む回路図と、前記複数のトランジスタ毎の回路定数を複数のパラメータの関数で表現した制約式と、前記複数のパラメータの可変範囲と、前記回路図が満たすべき電気的特性の値を含んだ設計仕様とに基づいて、
コンピュータシステムが、
前記複数のパラメータの可変範囲の中からいずれかの値を選択し、この選択した値を前記制約式に代入することで前記複数のトランジスタ毎の回路定数を算出する第1処理と、
前記第1処理で算出された回路定数が反映された状態の前記回路図に対して電気的特性の算出を行う第2処理と、
前記第2処理での電気的特性の算出結果が前記設計仕様を満たすようになるまで、前記複数のパラメータの値を再選択しながら前記第1処理と前記第2処理をループさせる第3処理とを実行し、
前記複数のパラメータには、前記複数のトランジスタの一つとなる基準トランジスタを比較対象とした電流比を表す第1パラメータが含まれ、
前記第1パラメータには、前記複数のトランジスタ間の接続関係に基づくキルヒホッフの電流則が反映されていることを特徴とする半導体装置の設計方法。
A circuit diagram including a plurality of transistors, a constraint expression expressing circuit constants for each of the plurality of transistors as a function of a plurality of parameters, a variable range of the plurality of parameters, and values of electrical characteristics to be satisfied by the circuit diagram Based on design specifications including
Computer system
A first process of calculating a circuit constant for each of the plurality of transistors by selecting any value from the variable range of the plurality of parameters and substituting the selected value into the constraint equation;
A second process for calculating electrical characteristics for the circuit diagram in a state in which the circuit constants calculated in the first process are reflected;
A third process for looping the first process and the second process while reselecting the values of the plurality of parameters until the calculation result of the electrical characteristics in the second process satisfies the design specification; Run
The plurality of parameters include a first parameter representing a current ratio with a reference transistor that is one of the plurality of transistors as a comparison target,
The design method of a semiconductor device, wherein the first parameter reflects Kirchhoff's current law based on a connection relation between the plurality of transistors.
請求項9記載の半導体装置の設計方法において、
前記複数のトランジスタは、MOSトランジスタであり、
i番目のMOSトランジスタ(Mi)の回路定数となるゲート幅W/ゲート長Lを算出する前記制約式は、
/L=kr’・kc・kb・(W/L
であり、
kr’は、前記基準トランジスタとなるMOSトランジスタ(M1)と前記MOSトランジスタ(Mi)の間でP型又はN型からなる導電型の違いを表すパラメータであり、
kbは、前記MOSトランジスタ(M1)と前記MOSトランジスタ(Mi)の間でゲートバイアス電圧の比を表すパラメータであり、
kcは、前記MOSトランジスタ(M1)と前記MOSトランジスタ(Mi)の間でソース−ドレイン間電流の比を表す前記第1パラメータであり、
/Lは、前記MOSトランジスタ(M1)の回路定数となるゲート幅/ゲート長を表すパラメータであることを特徴とする半導体装置の設計方法。
The method for designing a semiconductor device according to claim 9, wherein
The plurality of transistors are MOS transistors;
The constraint equation for calculating the gate width W i / gate length L i as the circuit constant of the i-th MOS transistor (Mi) is:
W i / L i = kr ′ · kc i · kb i · (W 1 / L 1 )
And
kr ′ is a parameter representing a difference in conductivity type of P-type or N-type between the MOS transistor (M1) serving as the reference transistor and the MOS transistor (Mi),
kb i is a parameter representing the ratio of the gate bias voltage between the MOS transistor (M1) and the MOS transistor (Mi),
kc i is the first parameter representing the ratio of the source-drain current between the MOS transistor (M1) and the MOS transistor (Mi),
W 1 / L 1 is a parameter representing a gate width / gate length which is a circuit constant of the MOS transistor (M 1), and a method for designing a semiconductor device,
請求項10記載の半導体装置の設計方法において、
j番目のMOSトランジスタ(Mj)に対して前記第1パラメータとなるkcが設定され、k番目のMOSトランジスタ(Mk)に対して前記第1パラメータとなるkcが設定された場合、
前記MOSトランジスタ(Mi)が前記MOSトランジスタ(Mj)と直列接続されている時にはkc=kcとし、
前記MOSトランジスタ(Mi)から分岐して前記MOSトランジスタ(Mj)と前記MOSトランジスタ(Mk)が接続されている時にはkc=kc+kcとすることを特徴とする半導体装置の設計方法。
The method for designing a semiconductor device according to claim 10,
If kc j to be the first parameter for the j-th MOS transistor (Mj) is set, kc k to be the first parameter for the k-th MOS transistor (Mk) is set,
When the MOS transistor (Mi) is connected in series with the MOS transistor (Mj), kc i = kc j ,
A method for designing a semiconductor device, characterized in that kc i = kc j + kc k when branching from the MOS transistor (Mi) and the MOS transistor (Mj) and the MOS transistor (Mk) are connected.
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