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混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)中的溫度分析

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作者:Rajit Chandra 時(shí)間:2006-07-23 來源:電子工程專輯 收藏
本文描述了一種直接集成到芯片設(shè)計(jì)流程中的詳細(xì)三維溫度分析,介紹了這種溫度分析如何幫助芯片設(shè)計(jì)師和架構(gòu)師更好地掌握芯片內(nèi)的溫度梯度,以及溫度梯度影響芯片性能的情況。

    如今,集成電路的設(shè)計(jì)趨勢(shì)正朝著在同一塊芯片內(nèi)集成越來越多的電路的方向發(fā)展。在諸如高速通道收發(fā)器、微控制器、汽車電子、智能電源芯片和無線產(chǎn)品等許多應(yīng)用中,模擬電路和數(shù)字電路都被放置在同一個(gè)裸片上。將功率器件、高性能模擬電路和復(fù)雜數(shù)字電路在這樣的混合信號(hào)設(shè)計(jì)中進(jìn)行集成,會(huì)導(dǎo)致裸片中的功率密度增加,由于這些不同的電路會(huì)產(chǎn)生熱量,這就會(huì)引發(fā)溫度問題。

    芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)師、電路設(shè)計(jì)師和布線設(shè)計(jì)師正面臨著越來越大的壓力,因?yàn)樗麄儽仨殰?zhǔn)確掌握其設(shè)計(jì)中的溫度變化情況以及這些變化對(duì)電路性能和可靠性會(huì)帶來怎樣的影響。本文描述了一種直接集成到設(shè)計(jì)流程中的詳細(xì)三維溫度分析,介紹了這種溫度分析如何幫助芯片設(shè)計(jì)師和架構(gòu)師更好地掌握芯片內(nèi)的溫度梯度,以及溫度梯度影響芯片性能的情況。

對(duì)溫度梯度的現(xiàn)有理解

    估計(jì)IC芯片結(jié)溫的一般方法是利用精簡(jiǎn)封裝模型,其中包括給定封裝的最大結(jié)溫、最大環(huán)境溫度,最大允許功耗以及此封裝的熱阻(R?JA,junction to ambient)。不同的精簡(jiǎn)封裝模型中可能會(huì)有幾個(gè)熱阻,但這類模型的應(yīng)用都涉及到圖1中所示的一個(gè)線性方程。

圖1 精簡(jiǎn)模型下的結(jié)溫
功率源的分布狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致結(jié)溫變化,但精簡(jiǎn)封裝模型無法捕獲這種變化所造成的影響。通過使用單一的總功率數(shù)字,產(chǎn)生的結(jié)溫被假定為單個(gè)(通常是最壞情況)數(shù)字。事實(shí)上,功率源是分散的,當(dāng)考慮它們的綜合影響時(shí),會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)重要問題:

(a)結(jié)溫變化,這導(dǎo)致電路單元之間產(chǎn)生溫度梯度

(b)最大結(jié)溫會(huì)超出精簡(jiǎn)模型計(jì)算得到的數(shù)字

圖2(a)給出的是,在為實(shí)現(xiàn)芯片的某個(gè)特定工作模式而選用的模塊與器件的實(shí)際位置和功率密度條件下,裸片的通道區(qū)域內(nèi)的溫度分布。溫度分布的不同顏色顯示,通道內(nèi)存在幾個(gè)溫度值。溫度的總平均值和基于精簡(jiǎn)模型計(jì)算得到的溫度相近。但前者一般更高,因?yàn)榭刂葡噙B熱源的公式是非線性的,而精簡(jiǎn)模型認(rèn)為是線性。結(jié)的最大溫度可能會(huì)高很多,如圖2(a)所示。

    不經(jīng)過熱分析,設(shè)計(jì)師不可能在項(xiàng)目早期就知道真正的結(jié)溫,這會(huì)影響芯片封裝和散熱方案的選擇。了解芯片溫度和梯度的情況還可影響電路布局(以確保關(guān)鍵器件的溫度相近)和物理尺寸(以保證芯片在實(shí)際工作溫度下足夠可靠)。

 

應(yīng)該更好地理解溫度梯度對(duì)芯片的影響

    溫度會(huì)在不同程度上影響二極管、電阻、電容和晶體管等電子元件。而混合信號(hào)設(shè)計(jì)越來越需要在內(nèi)部功率密度不均勻的芯片上進(jìn)行高速、低電壓和高復(fù)雜性的設(shè)計(jì),這會(huì)極大增加芯片的溫度梯度。因此設(shè)計(jì)師需要考慮溫度梯度對(duì)整塊芯片造成的影響。

    模擬設(shè)計(jì)對(duì)哪怕只有幾攝氏度的溫差都可能特別敏感。為避免性能降低和參數(shù)失效,這類電路的布線必須嚴(yán)格遵守電路的對(duì)稱特性,這就使了解溫度分布情況變得更加重要。由熱引起的設(shè)計(jì)問題包括差分放大器的輸入偏移、高分辨率轉(zhuǎn)換器的誤差、調(diào)節(jié)電路的參考電壓漂移和運(yùn)放的直流增益損耗。

熱分析的實(shí)用性

    電壓和電流參考源在模擬電路中被廣泛使用。仔細(xì)研究帶隙參考電路的特點(diǎn)就能看出對(duì)整塊芯片進(jìn)行熱分析作用何在。這種參考源是穩(wěn)定的直流源,它和工藝參數(shù)、軌線電壓以及規(guī)定溫度的改變無關(guān)。帶隙參考電路是IC設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的電路之一,在DRAM和 flash存儲(chǔ)器、模擬器件中都有應(yīng)用。

    帶隙產(chǎn)生的電壓應(yīng)與溫度無關(guān),這個(gè)電壓是通過這樣的方式產(chǎn)生的:在一個(gè)隨溫度上升而下降的電壓(稱作相反于絕對(duì)溫度,簡(jiǎn)稱CTAT)上加一個(gè)隨帶隙電路元件的溫度上升而升高的電壓(稱作正比于絕對(duì)溫度,簡(jiǎn)稱PTAT)。CTAT電壓是通過對(duì)正偏的雙極性晶體管的基極-發(fā)射極進(jìn)行分接產(chǎn)生的,而PTAT電壓則利用兩個(gè)雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓差產(chǎn)生。這兩個(gè)雙極性晶體管雖然流過的總電流相等,但二者的基極-發(fā)射極電壓大小不同。 這里的一個(gè)基本假設(shè)是PTAT電路中的器件所在區(qū)域是一個(gè)等溫區(qū)。但考慮到整個(gè)芯片上復(fù)雜的溫度變化,這個(gè)假設(shè)往往不成立。

    例如,由于基極-發(fā)射極電壓與溫度的關(guān)系是非線性的,因此當(dāng)兩個(gè)PTAT晶體管之間存在溫度梯度時(shí),帶隙電路就無法正確工作。但如果能在設(shè)計(jì)階段放置這些器件或者為其在電路中定位之前,就能了解溫度特性,那么就可以通過將帶隙電路沿等溫線布置來防止其出錯(cuò)。下文介紹的溫度感知(temperature-aware)功能一個(gè)目的就是在模擬電路的設(shè)計(jì)過程中提供這類信息,以防止帶隙電路出錯(cuò)。

    當(dāng)帶隙電路中晶體管之間的溫度差不到幾攝氏度時(shí),溫度傳感器這類電路就不能正常工作,而在一些汽車應(yīng)用中,裸片上的溫度梯度可能超過70到80



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